3D打印增材制造技術(shù) 課件 【ch03】材料擠出打印技術(shù)

第三章材料擠出打印技術(shù)高等學(xué)校動畫與數(shù)字媒體專業(yè)『全媒體』創(chuàng)意創(chuàng)新系列教材設(shè)計造型基礎(chǔ)01熔融沉積制造技術(shù)PARTONE熔融沉積成型(FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM)也稱熔融沉積制造、熔融堆積成型熔融擠出成型、熔絲堆積成型及熔融噴絲成型等，是增材制造領(lǐng)域中應(yīng)用較廣的快速成型工藝方式，該工藝思想由美國學(xué)者ScottCrump于1988年首次提出，并在1991年開發(fā)了首臺商業(yè)機型。FDM技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車、機械、航空航天、家電、通信、電子、建筑、醫(yī)學(xué)、玩具等產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，如產(chǎn)品外觀評估、方案選擇、裝配檢查、功能測試、用戶看樣訂貨、塑料件開模前校驗設(shè)計及少量產(chǎn)品制造等，也應(yīng)用于政府、大學(xué)及研究所等機構(gòu)。3.1熔融沉積制造技術(shù)3.1熔融沉積制造技術(shù)FDM技術(shù)的原理如圖3-1所示，首先將原材料預(yù)先加工成特定直徑(通常有1.75mm和3mm兩種規(guī)格)的圓形線材，然后通過送絲結(jié)構(gòu)驅(qū)動圓形線材，經(jīng)導(dǎo)向管進入噴頭，在噴頭內(nèi)加熱融化后由尖端噴嘴擠出。噴頭沿XY平面以一定路徑掃描填充層片輪廓，完成一次平面掃描后，工作平臺沿2軸向下移動一個層厚的距離，繼續(xù)沉積下一層片輪廓，逐層堆積構(gòu)建三維實體。打印過程中相鄰絲材的黏結(jié)在熱能和表面勢能的作用下完成，并在一定環(huán)境源度下冷卻成型。噴嘴直徑一般為0.2~0.8mm，其他條件相同的情況下，噴嘴直徑越小，打印模型的表面精度越高。基本原理及特點13.1熔融沉積制造技術(shù)基本原理及特點1在FDM技術(shù)中，用于模型制作或者零部件的直接成型制造的材料主要有石蠟、PLA、ABS、聚碳酸酷、尼龍、低熔點金屬、陶瓷等低熔點材料，以及應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的復(fù)合材料，打印原材料的多樣性是其他增材制造技術(shù)不具備的。此外，F(xiàn)DM技術(shù)可以沉積多種顏色的材料，而且所用的原材料基本是盤卷形式的絲束，便于搬運、更換和存放。FDM技術(shù)的一個關(guān)鍵點是保持從噴嘴中噴出的熔融狀態(tài)下的原材料溫度稍高于凝固點一般是控制在比凝固點高5~10C之間。如果溫度太高，那么會導(dǎo)致材料凝固不及時，會出現(xiàn)模型變形、表面精度低等問題，但如果溫度太低或者不穩(wěn)定，那么容易造成噴頭堵塞，導(dǎo)致打印失敗。FDM系統(tǒng)價格和技術(shù)成本低、體積小、無污染，能直接做出ABS制件，但生產(chǎn)效率低精度不高，成型件表面有較明顯的條紋或者臺階效應(yīng)，成型件存在各向異性的力學(xué)特點，沿豎直疊加方向的黏結(jié)強度相對較弱。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備21.軟件部分軟件部分主要由計算機、應(yīng)用軟件、底層控制軟件和接口驅(qū)動單元組成。(1)計算機一般采用上位機和下位機兩級控制。其中，上位機一般采用配置高、運行速度快的PC機:下位機采用嵌入式系統(tǒng)DSP(數(shù)字信號處理器)，驅(qū)動執(zhí)行結(jié)構(gòu)。上位機和下位機通過特定的通信協(xié)議進行雙向通信，構(gòu)成控制的雙層結(jié)構(gòu)。為提高數(shù)據(jù)的傳輸速率和日靠性，上位機和下位機的接口可選用通信速率高、數(shù)據(jù)傳輸量大的PCI接口，實現(xiàn)多重復(fù)雜控制任務(wù)的高效性與協(xié)調(diào)運動。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備21.軟件部分軟件部分主要由計算機、應(yīng)用軟件、底層控制軟件和接口驅(qū)動單元組成。(1)計算機一般采用上位機和下位機兩級控制。①從CAD模型生成符合快速打印成型工藝特點的數(shù)據(jù)信息。②設(shè)置打印參數(shù)信息。③對打印成型情況進行監(jiān)控并接收運動參數(shù)的反饋，必要時通過上位機對成型設(shè)備的運動狀態(tài)進行干涉。④實現(xiàn)人機交瓦，提供打印成型進度的實時顯示。⑤提供可選加工參數(shù)詢問，滿足不同材料和加工工藝的要求。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備21.軟件部分軟件部分主要由計算機、應(yīng)用軟件、底層控制軟件和接口驅(qū)動單元組成。(2)應(yīng)用軟件主要包括下列模塊處理部分。①D切片模塊:基于STL文件切片模塊。②數(shù)據(jù)處理模塊具有切片模塊到打印位圖數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，打印區(qū)域的位圖排版功能:對于彩色打印還需要對彩色圖像進行分色處理。③工藝規(guī)劃模塊:具有打印控制方式、打印方向控制等模塊。④安全監(jiān)控模塊:設(shè)備和打印過程故障自診斷，故障自動停機保護。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備21.軟件部分軟件部分主要由計算機、應(yīng)用軟件、底層控制軟件和接口驅(qū)動單元組成。(3)底層控制軟件：主要用于下位機控制各個電機，以完成鋪粉輯的平移和自轉(zhuǎn)、粉缸升降、打印小車系統(tǒng)的XY平面運動。(4)接口驅(qū)動單元:主要完成上位機與下位機接口部分的驅(qū)動。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備22.機械部分機械部分是執(zhí)行打印命令的定位部分，其XYZ空間軸由電機、支架、同步輪、傳送帶等組成，軟件部分生成的打印坐標就由此定位。擠出機主要分為齒輪擠出機、直接擠出機和液體擠出機三種類型。下面介紹常用的齒輪擠出機和直接擠出機兩種類型。(1)齒輪擠出機:步進電機用小齒輪帶動大齒輪進行擠絲。這種裝置的優(yōu)點在于對于步講申機的電流和參數(shù)要求并不是太高，同時由于采用齒輪減速加力，擠絲力量會較好。缺點就是這種裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較高，維護起來麻煩。(2)直接擠出機:步進電機直接連接擠絲輪進行擠絲。這需要用較大扭矩的步進電機。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、好維護，但是不適合長距離擠絲(噴頭和擠出機之間的距離比較長，有些打印機為提高精度，會盡量減小噴頭的質(zhì)量，需要將擠出機放在機身上，在噴頭到擠出機之間將聚四氟乙烯管用作導(dǎo)管)。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備23.電子部分電子部分可以理解為軟件和機械部分的橋梁，主要對軟件生成的指令和數(shù)據(jù)進行緩存實現(xiàn)對電機的控制、溫度的控制等。軟件生成的坐標指令就由電子部分控制、機械部分執(zhí)行以達到精準打印的目的。電子部分包括系統(tǒng)板、主板、電機驅(qū)動板、溫度控制板(如果采用熱敏電阻測溫，那么一般不需要用到溫控板)、加熱管、熱電偶(或者是熱敏電阻)、熱床。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型工藝過程33D打印工藝過程可分為前處理、打印及后處理三個階段。前處理階段包括成型件三維模型的構(gòu)造、三維模型的近似處理、模型成型方向的選擇、三維模型的切片處理和生成支撐結(jié)構(gòu)。打印階段一般都是設(shè)備根據(jù)設(shè)定的制作參數(shù)自動進行的。后處理階段主要包括清洗、去除支撐、打磨及改性處理等。縣體細分的話，整個打印討程可劃分為以下5個步驟。1.建模(1)直接下載模型。(2)通過3D掃描儀逆向工程建模。3D掃描儀逆向工程建模就是通過掃描儀先對實物進行掃描，得到三維數(shù)據(jù)，然后加工修復(fù)。它能夠精確描述物體三維結(jié)構(gòu)的一系列坐標數(shù)據(jù)將這些數(shù)據(jù)輸入3D軟件中即可完整地還原出物體的3D模型。(3)用建模軟件建模目前，市場上有很多3D建模軟件如SolidWorks、Pro/ENGINEERUG等軟件都可以用來進行3D建模，另外一些3D打印機廠商也提供3D建模軟。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型工藝過程32.切片處理切片處理是根據(jù)STL文件判斷成型過程所需的支撐，由計算機設(shè)計出支撐結(jié)構(gòu)，對STI文件進行分層切片，設(shè)置合適的打印參數(shù)，如打印層厚、打印速度、打印溫度、填充類型等.按照各層截面形狀進行堆積制造，逐層累加而成。為打印出合格的模型，必須對STL格式二維模型進行切片。切片實際上就是把3D模型切成一片一片的，首先，設(shè)計好打印的路徑(填充密度、角度、外殼等)，并將切片后的文件儲存成G-Code格式(一種3D打印機能直接讀取并使用的文件格式)。然后，通過3D打印機控制軟件，把G-Code文件發(fā)送給打印機并控制3D打印機的參數(shù)，運行使其完成打印。G-Code的作用是和3D打印機通信。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型工藝過程33.打印過程首先，啟動3D打印機，通過數(shù)據(jù)線、SD卡等方式把STL格式的模型切片所得到的GCode文件傳送給3D打印機，同時，裝入3D打印材料，調(diào)試打印平臺，設(shè)定打印參數(shù)，然后，打印機開始工作，材料會一層一層地打印出來，層與層之間通過特殊的膠水進行黏合，并按照橫截面將圖案固定住，最后一層一層疊加起來。4.完成打印將打印好的產(chǎn)品從機器里取出來。這時要采取相應(yīng)的保護措施以避免對人身造成傷害例如，戴上手套來防止高溫表面或者有毒的化學(xué)物質(zhì)的傷害。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型工藝過程35.后處理(1)去除支撐結(jié)構(gòu)是FDM技術(shù)的必要后處理工藝，復(fù)雜模型一般采用雙噴頭打印，其中一個噴頭擠出的材料就是支撐材料，F(xiàn)DM技術(shù)的支撐材料有較好的水溶性，也可以在超聲波清洗機中用堿性(NaOH溶液)溫水浸泡后將其溶解剝落。一般情況下，水溫越高，支撐材料溶解得越快，但超過70C時成型件容易受熱變形，因此，采用超聲波清洗機去除支撐結(jié)構(gòu)時，需要將溶液溫度控制在40~60C之間。(2)打磨處理主要是去除成型件的“臺階效應(yīng)”，以滿足表面光潔度和裝配尺寸的精度要求，可采用水砂紙直接手工打磨的方法，但由于成型材料ABS較硬，會花費較長時間。(3)拋光的方法有物理拋光和化學(xué)拋光。通常使用的是砂紙打磨、珠光處理和蒸汽平滑這三種技術(shù)。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型質(zhì)量的因素分析41.材料性能的影響凝固過程中，由材料的收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力變形會影響。成型件精度，其主要的原因是熱收縮和分子取向的收縮。可采取的措施：①改進材料的配方。②設(shè)計時考慮收縮量進行尺寸補償。2.噴頭溫度和成型室溫度的影響噴頭溫度決定了材料的黏結(jié)性能、堆積性能、絲材流量及擠出絲寬度。成型室的溫度會影響成型件的熱應(yīng)力大小。可采取的措施：①噴頭溫度應(yīng)根據(jù)絲材的性質(zhì)在一定范圍內(nèi)選擇，以保證擠出的絲呈熔融流動狀態(tài)。②一般將成型室的溫度設(shè)定為比擠出絲的熔點溫度低1~2C。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型質(zhì)量的因素分析43.填充速度與擠出速度的交互影響單位時間內(nèi)擠出絲體積與擠出速度成正比，當填充速度一定時，隨著擠出速度的提高,擠出絲的截面寬度逐漸增加，當擠出速度提高到一定值時，擠出的絲黏附于噴嘴外圓錐面就不能正常加工。若填充速度比擠出速度快，則材料填充不足，出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，難以成型?？刹扇〉拇胧簲D出速度應(yīng)與填充速度相匹配。4.分層厚度的影響一般來說，分層厚度越小，實體表面產(chǎn)生的臺階越小，表面質(zhì)量也越高，但所需的分層處理和成型時間會變長，降低了加工效率，反之，分層厚度越大，實體表面產(chǎn)生的臺階也就越大，表面質(zhì)量越差，不過加工效率相對較高。可采取的措施：兼顧效率和精度確定分層厚度，必要時可通過打磨提高表面質(zhì)量與精度。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型質(zhì)量的因素分析45.成型時間的影響每層的成型時間與填充速度、該層的面積大小及形狀的復(fù)雜度有關(guān)。若層的面積小，形狀簡單，填充速度快，則該層成型的時間就短;反之，時間就長?？刹扇〉拇胧?加工時控制好噴嘴的工作溫度和每層的成型時間，以獲得精度較高的成型件。6.掃描方式的影響FDM掃描方式有平行掃描、螺旋掃描、偏置掃描及回轉(zhuǎn)掃描等。螺旋掃描是指掃描路徑從制件的幾何中心向外一次擴展，偏置掃描是指按輪廓形狀逐層向內(nèi)偏置進行掃描回轉(zhuǎn)掃描是指按了、Y軸方向掃描、回轉(zhuǎn)。合適的掃描方式可降低原型內(nèi)應(yīng)力的積累，有效防止零件的翹曲變形可采取的措施:可采用復(fù)合掃描方式，即外部輪廓用偏置掃描，而內(nèi)部區(qū)域填充用回轉(zhuǎn)掃描，這樣既可以提高表面精度，也可以簡化掃描過程，提高掃描效率。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型質(zhì)量的因素分析45.成型時間的影響每層的成型時間與填充速度、該層的面積大小及形狀的復(fù)雜度有關(guān)。若層的面積小，形狀簡單，填充速度快，則該層成型的時間就短;反之，時間就長?？刹扇〉拇胧?加工時控制好噴嘴的工作溫度和每層的成型時間，以獲得精度較高的成型件。6.掃描方式的影響FDM掃描方式有平行掃描、螺旋掃描、偏置掃描及回轉(zhuǎn)掃描等。螺旋掃描是指掃描路徑從制件的幾何中心向外一次擴展，偏置掃描是指按輪廓形狀逐層向內(nèi)偏置進行掃描回轉(zhuǎn)掃描是指按了、Y軸方向掃描、回轉(zhuǎn)。合適的掃描方式可降低原型內(nèi)應(yīng)力的積累，有效防止零件的翹曲變形可采取的措施:可采用復(fù)合掃描方式，即外部輪廓用偏置掃描，而內(nèi)部區(qū)域填充用回轉(zhuǎn)掃描，這樣既可以提高表面精度，也可以簡化掃描過程，提高掃描效率。02碳纖維復(fù)合材料3D打印PARTTWO目前，只有熱塑性線材被用作FDM的原料，包括丙烯睛-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)聚碳酸酷(PC)、聚乳酸(PLA、尼龍(PA)，或者是其中任意兩種的混合物。經(jīng)由FDM制造的純的熱塑性塑料存在強度不足、功能不全及承載能力弱的缺點，這嚴重限制了熔融沉積制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用。一種有效的方法就是添加增強材料(如碳纖維)于熱塑性材料中，形成碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)。碳纖維增強復(fù)合材料中的碳纖維能用來支持負載，同時，熱塑性塑料基質(zhì)可以用于結(jié)合、保護纖維并轉(zhuǎn)移負載到增強纖維上。塑料材料作為3D打印最為成熟的材料，目前仍存在較多問題，受塑料強度的影響，塑料材料適應(yīng)領(lǐng)域有限，成品的物理機械特性較差、需要高溫加工、低溫流動性差、固化速率低、易變形、精密度低。這些問題都限制了塑料在新材料領(lǐng)域的發(fā)展。3.2碳纖維復(fù)合材料3D打印1基本原理及特點3.2碳纖維復(fù)合材料3D打印1成型工藝1.短切碳纖維打印法短切碳纖維基本上是標準熱塑性塑料的增強材料。短切碳纖維打印法允許以更高的強度打印性能較弱的材料?？梢詫⒃摬牧吓c熱塑性塑料混合，并將所得混合物擠壓成用于熔融長絲制造(FFF)技術(shù)的線軸。短切碳纖維打印法是將短切纖維(通常是碳纖維)與尼龍、ABS或PLA等傳統(tǒng)熱塑性塑料混合，通過FDM的方式打印碳纖維需要將碳纖維與熱熔塑料一起打印。3.2碳纖維復(fù)合材料3D打印1成型工藝2.連續(xù)碳纖維打印法連續(xù)碳纖維打印法的優(yōu)勢是可以用3D打印復(fù)合材料部件替代傳統(tǒng)的金屬部件，它可以使用連續(xù)長絲制造(CFF)技術(shù)把材料鑲嵌在熱塑性塑料中。.材料特點：長纖增強PLA、尼龍、PEEK等絲材。工藝特點：通過FDM技術(shù)將長纖維填充進常規(guī)絲材中，起到增強作用。增強方法:同心和各向同性。①同心填充加強了每層(內(nèi)部和外部)的外邊界，并通過用戶定義的循環(huán)數(shù)延伸到零件中。②各向同性填充在每層上形成單向復(fù)合增強，并且可以通過改變層上的加固方向來模擬碳纖維編織。連續(xù)碳纖維3D打印設(shè)備原理如圖3-2所示。03螺桿擠出3D打印技術(shù)PARTTHREE該噴頭結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)為微型螺桿的設(shè)計，傳統(tǒng)螺桿的尺寸較大，設(shè)計時采用無限平板理論，而微型螺桿的設(shè)計主要采用有限槽寬理論，更接近于真實的邊界調(diào)節(jié)情況，更能反映熔體擠出的真實情況。為解決傳統(tǒng)噴頭結(jié)構(gòu)帶來的問題以擴展FDM技術(shù)的應(yīng)用范圍與應(yīng)用價值，研究者提出一種顆粒體進料的微型螺旋擠壓堆積噴頭結(jié)構(gòu)，利用微型擠壓螺桿通過實時送料裝置將顆粒料從料斗送進，靠螺桿的螺旋擠壓作用將成型材料向噴嘴方向輸送，材料前進過程中，被螺桿擠出，實現(xiàn)材料的堆積成型。3.3螺桿擠出3D打印技術(shù)基本原理1打印機控制系統(tǒng)作為打印機的重要組成部分，主要包括上位機、下位機、擠出控制模塊.運動控制模塊及手動控制模塊。(1)上位機由計算機構(gòu)成，需要完成成型零件模型的建立、模型的處理、切片代碼生成及人機交互等操作，上位機能夠生成切片代碼，通過USB線或者SD卡將代碼傳輸給下位機，以實時控制打印機的運行。(2)下位機由拓展板和主控板連接，拓展板通過插針無縫插在對應(yīng)的主板上的孔中，其他硬件通過接口與主控板相連，這樣能夠更好地保護主控板。進行打印時，需要上傳打印機固件，用上傳工具配置打印機固件相關(guān)參數(shù)，通過USB線將打印機固件上傳至主控板。3.3螺桿擠出3D打印技術(shù)成型設(shè)備2(3)擠出控制模塊包含步進電機控制、溫度控制及風(fēng)扇控制。在基于顆粒體材料成型的打印機中，步進電機通過控制螺桿的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對材料的擠出控制。溫度控制是通過加熱棒與熱敏電阻結(jié)合(加熱棒接入主控板24V接線端，熱敏電阻用于對溫度穩(wěn)定的控制)實現(xiàn)對出絲材料熔融擠出的。風(fēng)扇用于冷卻擠出機加熱部件的溫度，以防倒流。(4)運動控制模塊主