FDM快速成型工藝

1、FDM快速成型工藝 FDM快速成型技術(shù)摘要：隨著RP行業(yè)的迅速發(fā)展，F(xiàn)DM快速成型技術(shù)在快速成型制造領(lǐng)域中的作用日趨重要，本文重點闡述了FDM快速成型技術(shù)的工作原理，工藝特點，應用領(lǐng)域及未來的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：FDM快速成型工作原理工藝應用1。引言目前，快速成型（RapidPrototyping,RP）技術(shù)作為研究和開發(fā)新產(chǎn)品的有力手段已發(fā)展成為一項高新制造技術(shù)中的新興產(chǎn)業(yè).RP由CAD模型直接驅(qū)動，快速地生產(chǎn)出復雜的三維實體樣件或零件i2。RP技術(shù)從產(chǎn)生到現(xiàn)在已有10多年歷史，并正以35%的年增長率發(fā)展著。熔融沉積快速成型（FDM）是繼光固化快速成型和疊層實體快速成型工藝后的另一種應用比較廣

2、泛的快速成型工藝。FDM技術(shù)將ABS，PC，PPSF以及其它熱塑性材料擠壓成為半熔融狀態(tài)的細絲，由沉積在層層堆疊基礎(chǔ)上的方式，從3DCAD資料直接建構(gòu)原型.該技術(shù)通常應用于塑型，裝配，功能性測試以及概念設(shè)計.此外，F(xiàn)DM技術(shù)可以應用于打樣與快速制造.該工藝方法以美國STRATASYS公司開發(fā)的FDM制造系統(tǒng)應用最為廣泛。在2004年，STRATASYS公司的FDM快速成型機系列占全球市場48。5%。北京航空工藝研究所現(xiàn)擁有一臺多功能快速成型機，能完成L0M（疊層實體制造），F(xiàn)DM（熔融沉積制造）和SLS（選擇性激光燒結(jié)）3種工藝，F(xiàn)DM制件精度可達0。15mm。2。FDM工作原理2。1FDM快

3、速成型的原理熔融沉積制造法（FDM）快速成型技術(shù)的軟件系統(tǒng)由幾何建模和信息處理組成。（1）幾何建模單元是設(shè)計人員借助三維軟件，如Pro/E,UG等，來完成實體模型的構(gòu)造，并以STL格式輸出模型的幾何信息。（2）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(shù)控代碼生成和對成形系統(tǒng)的控制。如果根據(jù)STL文件判斷出成形過程需要支撐的話，先由計算機設(shè)計出支撐結(jié)構(gòu)并生成支撐，然后對STL格式文件分層切片，最后根據(jù)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。最后對其進行表面處理。FDM的成型流程圖如圖21所示。2.2FDM機械系統(tǒng)的工藝原理FDM機械系統(tǒng)主要包括噴頭、送絲機構(gòu)、運

4、動機構(gòu)、加熱工作室、工作臺5個部分（如圖22所示）.將低熔點絲狀材料通過加熱器的擠壓頭熔化成液體，使熔化的熱塑材料絲（熔模鑄造蠟絲的熔融溫度為74C,機加工蠟絲的熔融溫度為96C，聚烯烴樹脂絲為106C，聚酰胺絲為155C，ABS塑料絲為270C）通過噴頭擠出，擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準確運動，擠出半流動的熱塑材料沉積固化成精確的實際部件薄層，覆蓋于已建造的零件之上，并在1/10s內(nèi)迅速凝固，每完成一層成型，工作臺（主要由臺面和泡沫墊板組成）便下降一層高度4，噴頭再進行下一層截面的掃描噴絲，如此反復逐層沉積，直到最后一層，這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個實體模型或零件5。FDM成形中，每一個層

5、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(shè)計一些輔助結(jié)構(gòu)“支撐”，以保證成形過 FDM快速成型工藝程的順利實現(xiàn)。支撐可以用同一種材料建造，現(xiàn)在一般都采用雙噴頭獨立加熱，一個用來噴模型材料制造零件，另一個用來噴支撐材料做支撐，兩種材料的特性不同，制作完畢后去除支撐相當容易。送絲機構(gòu)為噴頭輸送原料，送絲要求平穩(wěn)可靠。原料絲一般直徑為12mm,而噴嘴直徑只有0.20.3mm左右，這個差別保證了噴頭內(nèi)一定的壓力和熔融后的原料能以一定的速度(必須與噴頭掃

6、描速度相匹配)被擠出成型送絲機構(gòu)和噴頭采用推-拉相結(jié)合的方式，以保證送絲穩(wěn)定可靠，避免斷絲或積瘤.運動機構(gòu)包括x、y、z三個軸的運動?？焖俪尚图夹g(shù)的原理是把任意復雜的三維零件轉(zhuǎn)化為平面圖形的堆積，因此不再要求機床進行三軸及三軸以上的聯(lián)動，大大簡化了機床的運動控制，只要能完成二軸聯(lián)動就可以了.x、y軸的聯(lián)動掃描完成FDM工藝噴頭對截面輪廓的平面掃描，z軸則帶動工作臺實現(xiàn)高度方向的進給。加熱熔化膛用來給成型過程提供一個恒溫環(huán)境.由于熔融狀態(tài)的絲擠出成型后如果驟然受到冷卻，容易造成翹曲和開裂，所以FDM工藝要求環(huán)境溫度要適宜。其主要缺點是不能制作懸臂零件“7.最后對其進行處理，去除實體的支撐部分，對

7、部分實體表面進行處理，使原型精度、表面粗糙度等達到要求。圖2-2FDM系統(tǒng)模型圖圖2-1FDM成型流程圖FDM快速成型工藝的特點3O1FDM成型材料的選擇熔融沉積工藝使用的材料分為兩部分:一類是成型材料，另一類是支撐材料。FDM工藝對成型材料的要求是熔融溫度低、粘度低、粘結(jié)性好、收縮率小.FDM工藝對支撐材料的要求是能承受一定高溫，與成型材料不浸潤、具有水溶性或者酸溶性、熔融溫度較低、流動性好。3o2FDM工藝的優(yōu)缺點FDM快速成型工藝的優(yōu)點成本低。熔融沉積造型技術(shù)用液化器代替了激光器，設(shè)備費用低；另外原材料的利用效率高且沒有FDM快速成型工藝毒氣或化學物質(zhì)的污染,使得成型成本大大降低。采用水

8、溶性支撐材料，使得去除支架結(jié)構(gòu)簡單易行，可快速構(gòu)建復雜的內(nèi)腔、中空零件以及一次成型的裝配結(jié)構(gòu)件。原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運和快速更換?？蛇x用多種材料，如各種色彩的工程塑料ABS、PC、PPS以及醫(yī)用ABS等。原材料在成型過程中無化學變化，制件的翹曲變形小。用蠟成型的原型零件，可以直接用于熔模鑄造。FDM系統(tǒng)無毒性且不產(chǎn)生異味、粉塵、噪音等污染。不用花錢建立與維護專用場地，適合于辦公室設(shè)計環(huán)境使用。材料強度、韌性優(yōu)良,可以裝配進行功能測試。FDM成型工藝與其它快速成型工藝相比，也存在著許多缺點：原型的表面有較明顯的條紋。與截面垂直的方向強度小。需要設(shè)計和制作支撐結(jié)構(gòu).成型速度相對較慢,不

9、適合構(gòu)建大型零件。原材料價格昂貴.噴頭容易發(fā)生堵塞，不便維護。3。3FDM與其它工藝的比較將FDM與SLA、LOM、SLS、FDM快速成型工藝的指標如成型速度，精度，制造成本，復雜程度，零件大小等方面的比較情況如表31所示，將FDM與SLA、SLS設(shè)備、成本，操作難易，材料種類，性能及生產(chǎn)應用等特性的比較如表32所示。表3-1FDM工藝與其它幾種快速成型工藝方法的比較表32指標SLALOMSLSFDMFDM工藝方法與其成型速度較快快較慢較慢SLA、SLS若干特性原型精度高較高較低較低的比較制造成本較高低較低較低復雜程度復雜簡單復雜中等零件大小中小件中大件中小件中小件常用材料熱固性光敏樹紙、金屬

10、箔、塑石蠟、塑料、金石蠟、尼龍、ABS、脂等料薄膜等屬、陶瓷等粉末低熔點金屬等比較項FDMSLASLS設(shè)備價格操作成本維修成本設(shè)備操作難易程度后處理FDM快速成型工藝 占地空間、電力需求、電力環(huán)境等材料種類材料實用性材料彈性材料強度材料抗剪性材料抗拉性建造速度生產(chǎn)能力零件精度及表面粗糙度生產(chǎn)應用4。FDM快速成型技術(shù)的應用FDM快速成型機采用降維制造原理,將原本很復雜的三維模型根據(jù)一定的層厚分解為多個二維圖形，然后采用疊層辦法還原制造出三維實體樣件。由于整個過程不需要模具，所以大量應用于汽車、機械、航空航天、家電、通訊、電子、建筑、醫(yī)學、玩具等產(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

11、檢查、功能測試、用戶看樣訂貨、塑料件開模前校驗設(shè)計以及少量產(chǎn)品制造等，也應用于政府、大學及研究所等機構(gòu)。用傳統(tǒng)方法須幾個星期、幾個月才能制造的復雜產(chǎn)品原型，用FDM成型法無需任何刀具和模具，瞬間便可完成。由于FDM工藝的特點，F(xiàn)DM已經(jīng)廣泛地應用于制造行業(yè)。它降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期，大大地提高了生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟效益。FDM在日本豐田公司的應用豐田公司采用FDM工藝制作右側(cè)鏡支架和四個門把手的母模，通過快速模具技術(shù)制作產(chǎn)品而取代傳統(tǒng)的CNC制模方式，使得2000Aval。n車型的制造成本顯著降低，右側(cè)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。F

12、DM工藝已經(jīng)為豐田公司在轎車制造方面節(jié)省了200萬美元。FDM在美國快速原型制造公司的應用從事模型制造的美國RapidModels&Prototypes公司采用FDM工藝為生產(chǎn)廠商LaramieToys制作了玩具水槍模型借助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(shù)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。FDM在Mizunos公司的應用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(shè)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

13、了造型階段的設(shè)計驗證，一旦設(shè)計定型，F(xiàn)DM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(nèi)就全部完成，縮短了40%的時間。目前，F(xiàn)DM快速原型技術(shù)已成為Mizuno美國公司在產(chǎn)品開發(fā)過程中起決定性作用的組成部分。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FDM快速成型工藝板的前表面根據(jù)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(lián)合公司選作生產(chǎn)部件后,部件的蠟靠模采用F

14、DM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.緊接著從鑄造石蠟模翻出A2鋼模,該處理過程將花費一周時間.模具接著車削外表面，劃上修改線和水平線以便機械加工。該模具在模具后部設(shè)計成中空區(qū)，以減少用鋼量，中空區(qū)填入化學粘結(jié)瓷。僅花5周時間和一半的原來成本，而且制作的模具至少可生產(chǎn)30000套襯板。采用FDM工藝后，福特汽車公司大大縮短了運輸部件襯板的制作周期，并顯著降低了制作成本。(5)FDM在韓國現(xiàn)代公司的應用韓國現(xiàn)代汽車公司采用了美國Stratasys公司的FDM快速原型系統(tǒng)，用于檢驗設(shè)計、空氣動力評估和功能測試。采用ABS工程塑料的FDMMaxum系統(tǒng)滿足了兩

15、者的要求，在1382mm的長度上，其最大誤差只有0。75mm.FDM的發(fā)展趨勢FDM工藝是快速成型領(lǐng)域很有特色的工藝方法，與LOM和SLS工藝可并稱為三大主流技術(shù)。快速成型是虛擬制造技術(shù)的有力補充，是直接架通思想與現(xiàn)實的橋梁。美國在80年代末提出、90年代重點發(fā)展的武器研制系統(tǒng)方法并行工程強調(diào)了階段的相互關(guān)聯(lián)、階段信息的雙向交流以及反饋，RP技術(shù)是實現(xiàn)這些目標的有力手段.可以預期，F(xiàn)DM必將在制造業(yè)、航空航天業(yè)中體現(xiàn)更高的價值，并得到更迅速的發(fā)展.當前FDM快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢是將FDM快速成型與其他先進的設(shè)計與制造技術(shù)密切結(jié)合起來，共同發(fā)展.FDM快速成型技術(shù)未來的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾

16、個方面：材料成型和材料制備隨著科學技術(shù)的發(fā)展,材料和零件要求具有很高的性能，要求實現(xiàn)材料和零件設(shè)計的定量化和數(shù)字化，實現(xiàn)材料和零件制備的一體化和集成化。生物制造和生長成型21世紀是生物科學的世紀,與工程科學相結(jié)合特別是與制造科學相結(jié)合，基于對不同層次生命活動的理解，生物技術(shù)和生物醫(yī)學工程學能夠為人類創(chuàng)造財富和解決人類的健康問題。計算機外設(shè)和網(wǎng)絡制造FDM快速成型技術(shù)是全數(shù)字化的制造技術(shù),FDM快速成型設(shè)備的三維成型功能和普通打印機具有共同的特性.FDM快速成型與微納米制造目前，常用的微加工技術(shù)方法從加工原理上屬于通過去除材料而“由大到小”的去除成型工藝，難于加工三維異形微結(jié)構(gòu)，并且深寬比的進一

17、步增大受到了限制。而FDM快速成型根據(jù)離散/堆積的降維制造原理，能制造任意形狀復雜的結(jié)構(gòu)。直寫技術(shù)與快速處理a。直寫技術(shù)：直寫技術(shù)對材料單元具有精確控制的能力，是FDM快速成型的核心。bo信息來源與軟件：隨著快速成型技術(shù)向快速制造技術(shù)轉(zhuǎn)變，制造出最終零件對精度的要求越來越高。對快速成型進行建模、計算機仿真和優(yōu)化,可以提高快速成型技術(shù)的精度，實現(xiàn)真正的凈成型，成型用的工具包括限差分和有限元等。參考文獻1LeeEW。Processesoverview，JIEC/WTECpanelreportonrapidprototypinginEuropeandJapan.Vol。1,analyticalchapters,1997張曙.現(xiàn)代先進制造的潮流快速成型技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和展望J.快速制造技術(shù)，2000,(1)：710JacobsPF.StereolithographyandotherRP&Mte