熔融沉積快速成型FDMppt課件.ppt

1、熔融沉積快速成型,目錄,3,FDM成型技術的特點,6,FDM快速成型技術的支撐,7,成型過程影響因素分析,8,氣壓式熔融沉積快速成型系統(tǒng),工藝原理及過程,11,FDM快速成型機技術優(yōu)勢,9,FDM設備簡介,一 概念及簡介,熔融沉積造型(Fused Deposition Modeling,FDM)采用熱熔噴頭，使半流 動狀態(tài)的材料按CAD分層數據控制的路 徑擠壓并沉積在指定的位置凝固成型， 逐層沉積、凝固后形成整個原型或零件。 這一技術又稱為熔化堆積法、熔融擠出 成模等。,1.1概念,1.2 簡介,絲狀材料選擇性熔覆（Fused Deposition Manufacturing，簡稱FDM），又

2、稱熔融沉積造型。 FDM快速原型工藝是一種不依靠激光作為成型能源，而將各種絲材加熱熔化的成型方法。此工藝通過熔融絲料的逐層固化來構成三維產品，以該工藝制造的產品目前的市場占有率約為6.1。,研究熔融沉積制造(Fuesd Depostion Modeling 簡稱FDM)工藝的主要有Stratasys公司和Med Modeler公司。這種技術以美國Stratasys公司開發(fā)的產品制造系統(tǒng)應用FDM-1650(臺面為250mmx250mmx250mm)機型后，先后推出FDM-2000、FDM-3000和FDM-8000機型。,FDM-1650,引人注目的是1998年Stratasys公司推出的FD

3、M-Quantum機型，最大成型體積為600mmx500mmx600mm。由于采用擠出頭磁浮地位系統(tǒng)，可在同一時間控制兩個擠出頭，因此其造型速度為過去的5倍。,FDM-Quantum機型,Stratasys公司1998年與MedModeler公司合作開發(fā)了專用于醫(yī)院和醫(yī)學研究單位的MedModeler機型，使用ABS材料，并于1999年推出可使用聚酯熱塑性塑料的Genisys型改進機型Genisys Xs，其成型體積達305mmx203mmx203mm,FDM-Genisys Xs,二 工藝原理及過程,FDM工藝是利用熱塑性材料的熱熔性、粘結性，在計算機控制下層層堆積成形。如圖2所示，加熱噴頭

4、在計算機的控制下，可根據截面輪廓的信息，作X-Y平面運動和高度Z方向的運動。絲狀熱塑性材料由供絲機構送至噴頭，并在噴頭中加熱至熔融態(tài)，然后被選擇性地涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成截面輪廓。一層截面完成后，噴頭上升一截面層的高度，再進行下一層的涂覆。如此循環(huán)，最終形成三維產品。,2.1 工藝原理,FDM制造工藝原理,熔融沉積快速成型工藝在原型制作時需要同時制作支撐，為了節(jié)省材料成本和提高沉積效率，新型FDM設備采用了雙噴頭。 一個噴頭用于沉積模型材料，一個噴頭用于沉積支撐材料。一般來說，模型材料絲精細而且成本較高，沉積的效率也較低。而支撐材料絲較粗且成本較低，沉積的效率也較高。雙噴頭的優(yōu)點除了沉

5、積過程中具有較高的沉積效率和降低模型制作成本以外，還可以靈活地選擇具有特殊性能的支撐材料，以便于后處理過程中支撐材料的去除，如水溶材料、低于模型材料熔點的熱熔材料等。,仿真動畫,2.2工藝過程,FDM快速成型的過程包括:設計三維CAD模型、CAD模型的近似處理、對STL文件進行分層處理、造型、后處理。如圖所示。,快速成型的過程,1 設計CAD三維模型 設計人員根據產品的要求，利用計算機輔助設計軟件設計出三維CAD模型。常用的設計軟件有:Pro/Engineering，Solidworks，MDT，AutoCAD，UG等。 2 三維模型的近似處理 用一系列相連的小三角平面來逼近曲面，得到STL格

6、式的三維近似模型文件。許多常用的CAD設計軟件都具有這項功能。 3 STL文件的分層處理 由于快速成型是將模型按照一層層截面加工，累加而成的。所以必須將STL格式的三維CAD模型轉化為快速成型制造系統(tǒng)可接受的層片模型。片層的厚度范圍通常在0.0250.762之間。,4 造型 產品的造型包括兩個方面:支撐制作和實體制作。 5 后處理 快速成型的后處理主要是對成型進行表面處理。去除實體的支撐部分，對部分實體表面進行處理，使成型精度、表面粗糙度等達到要求。但是，成型的部分復雜和細微結構的支撐很難去除，在處理過程中會出現損壞成型表面的情況，從而影響成型的表面品質。于是，1999年STratasys公司

7、開發(fā)出水溶性支撐材料，有效的解決了這個難題。目前，我國自行研發(fā)FDM工藝還無法做到這一點，成型的后處理仍然是一個較為復雜的過程。,三 FDM成型技術的特點,由于采用了熱融擠壓頭的專利技術，使整個系統(tǒng)構造原理和操作簡單，維護成本低，系統(tǒng)運行安全?？梢允褂脽o毒的原材料，設備系統(tǒng)可在辦公環(huán)境中安裝使用。 成型速度快。用熔融沉積方法生產出來的產品，不需要 SLA 中的刮板再加工這一道工序。系統(tǒng)校準為自動控制。,3.1FDM成型技術的優(yōu)點,用蠟成型的零件原型，可以直接用于熔模鑄造。 可以成型任意復雜程度的零件，常用于成型具有很復雜的內腔、孔等零件。 原村料在成型過程中無化學變化，制件的翹曲變形小。 原材

8、料利用率高，且材料壽俞長。 支撐去除簡單無需化學清洗，分離容易。,3.2FDM成型技術的缺點,成型件的表面有較明顯的條紋。 沿成型軸垂直方向的強度比較弱。 需要設計與制作支撐結構。 需要對整個截面進行掃描涂覆，成型時間較長。 原材料價格昂貴。,FDM工藝選用材料與其他幾種快速原型工藝選用材料的比較,四 FDM快速成形的系統(tǒng)組成,3.1 硬件系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。,4.1.1 機械系統(tǒng),機械系統(tǒng)由運動、噴頭、成形室、材料室、等單元組成，多采用模塊化設計，各個單元相互獨立。 運動單元只完成掃描和噴頭的升降動作，且運動單元的精度決定了整機的運動精度。 加熱噴頭在計算機的控制下，根據

9、產品零件的截面輪廓信息，作X-Y平面運動和高度Z方向的運動。 成形室用來把絲狀材料加熱到熔融態(tài)，材料室用來儲存FDM用的材料。,4.1.2 控制系統(tǒng),由控制柜與電源柜組成，用來控制噴頭的運動以及成形室的溫度。,4.2 軟件系統(tǒng),軟件系統(tǒng)由幾何建模和信息處理組成。,4.2.1 幾何建模,幾何建模單元是設計人員借助三維軟件，如Pro/E，UG等，來完成實體模型的構造，并以STL格式輸出模型的幾何信息。,4.2.2 信息處理,信息處理單元主要完成STL文件處理、截面層文件生成、填充計算，數控代碼生成和對成形系統(tǒng)的控制。,如果根據STL文件判斷出成形過程需要支撐的話，先由計算機設計出支撐結構并生成支撐

10、，然后對STL格式文件分層切片，最后根據每一層的填充路徑，將信息輸給成形系統(tǒng)完成模型的成形。,4.3 供料系統(tǒng),由馬達驅動橡膠輥子，從而將絲料送入成形噴頭。,五 FDM的成型材料,FDM工藝對成形材料的要求是熔融溫度低、粘度低、粘結性好、收縮率小。影響材料擠出過程的主要因素是粘度。材料的粘度低、流動性好，阻力就小，有助于材料順利的擠出。材料的流動性差，需要很大的送絲壓力才能擠出，會增加噴頭的啟停響應時間，從而影響成形精度。,5.1 成型材料特點,5.2 主要材料,主要為絲狀熱塑性材料，常用的有石蠟、塑料、尼龍絲等低熔點材料和低熔點金屬、陶瓷等的線材或絲材。在熔絲線材方面，主要材料是ABS、人造

11、橡膠、鑄蠟和聚酯熱塑性塑料。 目前用于FDM的材料主要是美國Stratasys公司的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物細絲（ABS P400）、甲基丙酸烯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物細絲（ABSi P500，醫(yī)用）、消失模鑄造蠟絲（ICW06 wax）、塑膠絲（Elastomer E20）。,六 FDM快速成型技術的支撐,設計支撐的原因：FDM成形中，每一個層片都是在上一層上堆積而成，上一層對當前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會發(fā)生變化，當形狀發(fā)生較大的變化時，上層輪廓就不能給當前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設計一些輔助結構“支撐”，以保證成形過程的順利實現

12、。,FDM技術提供兩種類型的支撐： 1. WaterWorks(水溶性支撐): 可以分解于堿性水溶劑的可溶解性支撐結構。 2.Break Away Support Structure (BASS) (易剝離性支撐): 水溶性支撐的前身，由手工將支撐從工件表面剝離以移除。 水溶性支撐因為可以不用考慮機械式的移除，所以可以接近于細小的特征，因而用的更廣泛。,七 成型過程影響因素分析,1.材料性能的影響 2.噴頭溫度和成型室溫度的影響 3.擠出速度的影響 4.填充速度與擠出速度交互的影響 5.分層厚度的影響 6.成型時間的影響 7.掃描方式的影響,八 氣壓式熔融沉積快速成型系統(tǒng),氣壓式熔融沉積快速成

13、型系統(tǒng)（Airpressure Jet Solidification,AJS）的工作原理如圖示：,8.1 工作原理,氣壓式熔融沉積快速成形系統(tǒng)的工作原理,被加熱到一定溫度的低黏性材料（該材料可由不同相組成，如粉末-粘結劑的混合物），通過空氣壓縮機提供的壓力由噴頭擠出，涂覆在工作平臺或前一沉積層之上。噴頭按當前層面幾何形狀進行掃描堆積，實現逐層凝固。工作臺由計算機系統(tǒng)控制X,Y,Z三維運動，可逐層制造三維實體和直接制造空間曲面。,AJS系統(tǒng)主要由控制、加熱與冷卻、擠壓、噴頭機構、可升降工作臺及支架機構6部分組成。其中控制用計算機配置有CAD模型切片軟件和加支撐軟件，對三維模型進行切片和診斷，并在

14、零件的高度方向，模擬顯示出每隔一定時間的一系列橫截面的輪廓，加支撐軟件對零件進行自動加支撐處理。數據處理完畢后，混合均勻的材料按一定比例人工送入加熱室。加熱室由電阻絲加熱，經熱電阻測溫并由溫度控制器使其溫度恒定，使材料處于良好的熔融擠壓狀態(tài)，后經壓力傳感器測壓后進行擠壓，制造原型零件?？刂葡到y(tǒng)能使整個AJS系統(tǒng)實現自動控制，其中包括氣路的通斷、噴頭的噴射速度以及噴射量與原型零件整體制造速度的匹配等。,8.2 氣壓式熔融沉積快速成型系統(tǒng)特點,1）成型材料廣泛 2）設備成本低 3）無污染,8.2.1 優(yōu)點,8.2.2缺點,1）由于噴嘴孔徑較小，對于成型材料的粘度、包含雜質的顆粒度等的要求都很嚴格

15、2）由于可成型零件的最小圓角取決于出絲直徑和控制技術，成型時不能成型很尖銳的拐點，成型過程中，在每一層的開始與結束點的結合處會出現熔接痕，整個零件上會出現接縫,8.2.3 對傳統(tǒng)FDM不同之處,1）FDM工藝一般采用低熔點絲狀材料，如蠟絲或ABS塑料絲，如果采用高熔點的熱塑性復合材料，或對于一些不容易加工成絲材的材料，如EVA材料等，就會相當困難。該系統(tǒng)無需再采用專門的擠壓成絲設備來制造絲材，工作時只需要將塑性材料倒入噴頭的腔體內，依靠加熱裝置將其加熱到熔融擠壓狀態(tài)，不但避免了必須采用絲材材料這一限制，而且節(jié)省了一道工序，提高了生產效率。,2）所選的空氣壓縮機可提供1MPa范圍內任何大小的氣壓

16、，能準確控制使送入加熱室的壓縮氣體壓力恒定（不同材料其壓力設定值可不同）。壓力裝置結構簡單，提供的壓力穩(wěn)定可靠，成本低。,3）傳統(tǒng)的FDM有較重的送絲機構為噴頭輸送原料，即用電機驅動一對送進輪來提供推力，送絲機構和噴頭采用推-拉相結合的方式向前運動，作用原理類似于活塞難免會由于送絲滾輪的往復運動致使擠出過程不連續(xù)和因震動較大而產生的運動慣性對噴頭定位精度的影響。改進后的AJS系統(tǒng)由于沒有了運絲部分而使噴頭變的輕巧，減小了機構的震動提高了成型精度。,9.1 Stratsys公司FDM成型機分為3個系列,RP系列 Stratsys系列 Dimension系列的特點,九 FDM設備簡介,RP系列：優(yōu)

17、點是運行成本低、塑料材料、設備價格低、配套模擬軟件及教學培訓軟件；缺點是做精細工件能力弱；適用于企業(yè)用戶、特別適用于高?？蒲泻徒虒W。下圖為RP-360 FDM快速成型機,Stratsys系列：優(yōu)點是塑料材料、材料抗沖擊性好；缺點是運行成本非常高、中大型加工尺寸設備價格高、做精細工件能力弱；適用于企業(yè)用戶及科研要求的高校研究機構，不適合高校教學機構。下圖為Stratasys FDM 200mc.,Dimension系列的特點：優(yōu)點是塑料材料、材料抗沖擊性好；缺點是運行成本非常高、中大型加工尺寸設備價格高、做精細工件能力弱；適用于企業(yè)用戶及科研要求的高校研究機構，不適合高校教學機構。圖為Dimen

18、sion BST 1200ES FDM快速成型機。,9.2 國內FDM設備,國內清華大學研制的融入擠壓沉積成型（Melted Extrusion Modeling,MEM）也有其獨特的特點，MEM機型重于特殊的噴嘴和設備的開發(fā)，成卷軸狀的絲質原材料是通過加熱噴頭擠出，原型在一個垂直上下游動的底座上逐層制造。,MEM機型,十 熔融沉積快速成型技術的應用,FDM快速成型技術已被廣泛應用于汽車、機械、航空航天、家電、通訊、電子、建筑、醫(yī)學、玩具等產品的設計開發(fā)過程，如產品外觀評估、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計以及少量產品制造等，也應用于政府、大學及研究所等機構。用

19、傳統(tǒng)方法須幾個星期、幾個月才能制造的復雜產品原型，用FDM成型法無需任何刀具和模具，瞬間便可完成。,10.1 FDM在日本豐田公司的應用,豐田公司采用FDM工藝制作右側鏡支架和四個門把手的母模，通過快速模具技術制作產品而取代傳統(tǒng)的CNC制模方式，使得2000 Avalon車型的制造成本顯著降低，右側鏡支架模具成本降低20萬美元，四個門把手模具成本降低30萬美元。FDM工藝已經為豐田公司在轎車制造方面節(jié)省了200萬美元。,10.2 FDM在美國快速原型制造公司的 應用,從事模型制造的美國Rapid Models & Prototypes公司采用FDM工藝為生產廠商Laramie Toys制作了玩

20、具水槍模型，如圖所示。借助FDM工藝制作該玩具水槍模型，通過將多個零件一體制作，減少了傳統(tǒng)制作方式制作模型的部件數量，避免了焊接與螺紋連接等組裝環(huán)節(jié)，顯著提高了模型制作的效率。,采用FDM工藝制作玩具水槍,10.3 FDM在Mizunos公司的應用,Mizuno是世界上最大的綜合性體育用品制造公司。1997年1月，Mizuno美國公司開發(fā)一套新的高爾夫球桿，通常需要13個月的時間。FDM的應用大大縮短了這個過程，設計出的新高爾夫球頭用FDM制作后，可以迅速地得到反饋意見并進行修改，大大加快了造型階段的設計驗證，一旦設計定型，FDM最后制造出的ABS原型就可以作為加工基準在CNC機床上進行鋼制母模的加工。新的高爾夫球桿整個開發(fā)周期在7個月內就全部完成，縮短了40%的時間。目前，FDM快速原型技術已成為Mizuno美國公司在產品開發(fā)過程中起決定性作用的組成部分。,10.4 FDM在福特公司的應用,福特公司常年需要部件的襯板，當部件從一廠到另一廠的運輸過程中，襯板用于支撐、緩沖和防護。襯板的前表面根據部件的幾何形狀而改變。福特公司一年間要采用一系列的襯板，一般地，每種襯板改型要花費成千萬美元和12周時間制作必需的模具。新襯板的注塑消失模被聯合公司選作生產部件后，部件的蠟靠模采用FDM制作，制作周期僅3天。其間，必須小心的檢驗蠟靠模的尺寸，測出模具收縮趨向。緊接著從鑄造石