FDM熔融堆積成型技術(shù)

FDM熔融堆積成型技術(shù)技術(shù)原理工藝過程技術(shù)特點典型設(shè)備熔融堆積成型技術(shù)(FDM)1988年，科特克魯姆普發(fā)明了FDM（熔融堆積成型技術(shù)），次年科特克魯姆普成立了Stratasys公司。1992年，第一臺基于熔融堆積成型技術(shù)的3D打印產(chǎn)品出售。FDM成型技術(shù)專利已經(jīng)在2008年過期，隨后開源3D打印機運動讓FDM技術(shù)成為最流行，應(yīng)用最廣泛的一項3D打印技術(shù)。教育教學(xué)學(xué)習(xí)技術(shù)原理熔融堆積成型FDM(FusedDepositionModeling)又稱熔絲沉積。它是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算機的控制下，根據(jù)截面輪廓信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后，機器工作臺上升或下降一定的高度（即分層厚度）再成型下一層，直至形成整個實體造型。其成型材料種類多，成型件強度高、精度較高，主要適用于成型小塑料件。這就是FDM技術(shù)。教育教學(xué)學(xué)習(xí)在我們描繪熔融擠壓式3D打印機的工作原理之前，我們可以先設(shè)想這樣一個場景：首先你拿著一根被加熱過的牙膏，在牙膏盒里面都是液態(tài)的牙膏，但只要你把它一擠出來液態(tài)牙膏就會馬上凝固；然后你把這根牙膏頭朝下拿著，并往桌面上擠，邊擠邊水平移動，就像寫毛筆字一樣；等你完成桌面上層的工作后，把牙膏再往上抬一點，接著往第二個平面上繼續(xù)擠牙膏，這時擠出來的牙膏會和之前的牙膏粘在一起，先擠出的牙膏會固化形成后面擠出牙膏的支撐；最后你不斷地重復(fù)以上過程，直到擠出了你想要的形狀。這其實就是FDM的基本思想，也是市場上新出現(xiàn)的3D打印筆的工作原理。根據(jù)這樣的基本思想，工程師們將原材料預(yù)先加工成特定口徑的圓形線材，然后將制作成線型的原材料通過送絲軸逐漸導(dǎo)入熱流道，在熱流道中對材料進行加熱熔化處理。在熱流道的下方是噴頭，噴頭底部帶有微細的噴嘴（直徑一般為0.2-0.6毫米），通過后續(xù)絲材的擠壓所形成的壓力，將熔融狀態(tài)下的液態(tài)材料擠噴出來，工作原理如圖所示。由于工藝的需要，在3D打印機工作前，一般都需要先設(shè)定各層的間距、路徑的寬度等基本信息，然后由切片引擎對三維模型進行切片并生成打印路徑。接著在上位軟件和打印機的控制下，打印噴頭根據(jù)水平分層數(shù)據(jù)作X軸和Y軸的平面運動，Z軸方向的垂直移動則由工作臺來完成。同時，絲材由送絲部件送至噴頭，經(jīng)過加熱、熔化，一般將加熱溫度設(shè)為原材料熔點以上幾度，這樣當材料從噴頭擠出熔結(jié)到工作臺面上時，便會快速冷卻并凝固。這樣打印出的材料迅速與前一個層面熔結(jié)在一起，當每一層截面完成后，工作臺便下降一個層厚的高度，打印機接著再繼續(xù)進行下一層的打印，一直重復(fù)這樣的步驟，直至完成整個設(shè)計模型。FDM工藝的關(guān)鍵是保持從噴嘴中噴出的、熔融狀態(tài)下的原材料溫度剛好在凝固點之上，通?？刂圃诒饶厅c高1℃左右。如果溫度太高，會導(dǎo)致打印模型的精度太低，模型變形等問題；但如果溫度太低或不穩(wěn)定，則容易導(dǎo)致噴頭被堵住，打印失敗。目前，最常用的熔絲線材主要包括ABS、PLA、人造橡膠、鑄蠟和聚脂熱塑性塑料等。一些采用FDM工藝的設(shè)備有時會需要使用兩種材料：一種用于打印實體部分的成型材料；另一種用于沉積空腔或懸臂部分的支撐材料。工藝過程FDM的工藝流程一般包含6步，此外我們需要注意的還有幾點，下面將詳細介紹。建立三維實體模型STL文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分層切片，加入支撐逐層熔融沉積制造三維模型成型后期處理教育教學(xué)學(xué)習(xí)在這里我們需要注意的是以下幾點：（1）制作待打印物品的三維數(shù)字模型一般由設(shè)計人員根據(jù)產(chǎn)品的要求，通過計算機輔助設(shè)計軟件繪制出需要的三維數(shù)字模型。在設(shè)計時常用到的設(shè)計軟件主要有Pro/Engineering、Solidworks、MDT、AutoCAD、UG等。（2）獲得模型STL格式的數(shù)據(jù)一般設(shè)計好的模型表面上會存在許多不規(guī)則的曲面，在進行打印之前必須對模型上這些曲面進行近似擬合處理。目前最通用的方法是轉(zhuǎn)換為STL格式進行保存，STL格式是美國3DSystem公司針對3D打印設(shè)備設(shè)計的一種文件格式。通過使用系列相連的小三角平面來擬合曲面，從而得到可以快速打印的三維近似模型文件。大部分常見的CAD設(shè)計軟件都具備導(dǎo)出STL格式文件的功能，如Pro/Engineering、Solidworks、MDT、AutoCAD、UG等。（3）使用切片軟件進行切片分層處理，并自動添加支撐由于3D打印都是對模型分解，然后逐層按照層截面進行制造，最后循環(huán)累加而成。所以，必須先要將STL格式的三維模型進行切片，轉(zhuǎn)化為3D打印設(shè)備可處理的層片模型。目前市場上常見的各種3D打印設(shè)備都自帶有切片處理軟件，在完成基本的參數(shù)設(shè)置后，軟件能夠自動計算出模型的截面信息。（4）進行打印制作根據(jù)上面所介紹的FDM打印原理，可以想象在一些大跨度結(jié)構(gòu)時系統(tǒng)必須對產(chǎn)品添加支撐部件。否則，當上層截面相比下層截面急劇放大時，后面打印的上層截面會有部分出現(xiàn)懸?。ɑ驊铱眨┑那闆r，從而導(dǎo)致截面發(fā)生部分塌陷或變形，嚴重影響打印模型的成型精度。所以最終打印完成的模型一般包括支撐部分與實體部分兩個方面，而切片軟件會根據(jù)待打印模型的外形不同，自動計算決定是否需要為其添加支撐。同時，支撐還有一個重要的目的是建立基礎(chǔ)層。即在正式打印之前，先在工作平臺上打印一個基礎(chǔ)層，然后再在該基礎(chǔ)層上進行模型打印，這樣既可以使打印模型底層更加平整，還可以使制作完成后的模型更容易剝離。所以，進行FDM打印的關(guān)鍵一步是制作支撐，一個良好的基礎(chǔ)層可以為整個打印過程提供一個精確的基準面，進而保證打印模型的精度和品質(zhì)。（5）支撐剝離、表面打磨等后處理對FDM制作的模型而言，其后處理工作主要是對模型的支撐進行剝離、外表面進行打磨等處理。首先需要去除實體模型的支撐部分，然后對實體模型的外表面進行打磨處理，以使最終模型的精度、表面粗糙度等達到要求。但根據(jù)實際制作經(jīng)驗來看，F(xiàn)DM技術(shù)生產(chǎn)的模型在復(fù)雜和細微結(jié)構(gòu)上的支撐很難在不影響模型的情況下完全去除，很容易出現(xiàn)損壞原型表面的情況，對模型表面的品質(zhì)會有不小的影響。針對這樣的問題，3D打印界巨頭Stratasys公司在1999年開發(fā)了一種水溶性支撐材料，通過溶液對打印后的模型進行沖洗，將支撐材料進行溶解而不損傷實體模型，才得以有效地解決這個難題。而目前我國自行研發(fā)的FDM打印設(shè)備都還無法做到這一點，打印模型的后處理仍然是一個較為復(fù)雜的過程。（6）材料的使用與其他3D打印技術(shù)相比，可供FDM打印的原材料選擇范圍較廣，在進行模型實體材料選擇時主要需考慮以下因素：①黏度：粘度越低則阻力越小，有助于成型且不容易堵噴頭。②熔點：熔點溫度越接近常溫，則打印功耗越小，且有利于提高機器壽命，減少熱應(yīng)力從而提高打印精度。③結(jié)節(jié)性：材料的結(jié)節(jié)性將決定打印物品各層之間的連接強度。④收縮性：材料的收縮率越小，則打印出的物品精度越有保證。而對于支撐材料，F(xiàn)DM工藝的要求主要有以下幾個方面：①根據(jù)實體材料的不同，支撐材料要能夠相應(yīng)地承受一定的高溫。②支撐材料與實體材料之間不會浸潤，以便于后處理。③同實體材料一樣，需要較好的流動性。④最好具有水溶性或酸溶性等特征。⑤較低的熔融溫度為宜。技術(shù)特點在不同技術(shù)的3D打印設(shè)備中，采用FDM技術(shù)制造的設(shè)備一般就具有機械結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計容易等特點，并且制造成本、維護成本和材料成本在各項技術(shù)中也是最低的。因此，在目前出現(xiàn)的所有家用桌面級3D打印機中，使用的也都是該項技術(shù)。而在工業(yè)級的應(yīng)用中，也存在大量采用FDM技術(shù)的設(shè)備，例如Stratasys公司的Fortus福特斯系列。教育教學(xué)學(xué)習(xí)FDM工藝的關(guān)鍵技術(shù)在于熱熔噴頭，需要對噴頭溫度進行穩(wěn)定且精確的控制，使得原材料從噴頭擠出時既能保持一定的強度，同時又具有良好的花結(jié)性能。此外，供打印的原材料等也十分重要，其純度、材質(zhì)的均勻性都對最終的打印效果產(chǎn)生影響。如前面所說，F(xiàn)DM技術(shù)的一大優(yōu)勢在于制造簡單、成本低廉。對于桌面級打印機來說，也就不會在出料部分增加控制部件，致使難以精確地控制出料形態(tài)和成型效果。同時，溫度對于FDM成型效果影響也非常大，而桌面級FDM3D打印機通常都缺乏恒溫設(shè)備，這個導(dǎo)致基于FDM的桌面級3D打印機的成品精度通常為0.3-0.1毫米，只有少數(shù)高端機型能夠支持0.1毫米以下的層厚，但是受溫控影響，最終打印效果依然不夠穩(wěn)定。此外，大部分FDM機型在打印時，每層的邊緣容易出現(xiàn)由于分層沉積而產(chǎn)生的“臺階效應(yīng)”，導(dǎo)致很難達到所見即所得的3D打印效果，因而在對精度要求較高的情況下很少采用FDM設(shè)備。概括來講，F(xiàn)DM技術(shù)主要有以下幾方面優(yōu)點：(1)熱融擠壓部件構(gòu)造原理和操作都比較簡單，維護操作比較方便，并且系統(tǒng)運行比較安全。(2）制造成本、維護成本都比較低，價格非常有競爭力。(3）有開源項目作支持，相關(guān)資料比較容易獲得。(4）打印過程工序比較簡單，工藝流程短，直接打印而不需刮板等工序。(5）模型的復(fù)雜度不對打印過程產(chǎn)生影響，可用于制作具有復(fù)雜內(nèi)腔、孔洞的物品。(6）打印的過程中原材料不發(fā)生化學(xué)變化，并且打印后的物品翹曲變形相對較小。(7)原材料的利用率高，且材料保存壽命長。(8）打印制作的蠟制模型，可以同傳統(tǒng)工藝相結(jié)合，直接用于熔模鑄造。但相比其他技術(shù)而言，F(xiàn)DM也存在一些明顯的缺點：(1)在成型件表面存在非常明顯的臺階條紋，整體精度較低。(2）受材料和工藝限制，打印物品的受力強度低，特殊結(jié)構(gòu)時必須添加支撐結(jié)構(gòu)。(3）沿成型件Z軸方向的材料強度比較弱，并且不適合打印大型物品。(4）需按截面形狀逐條進行打印，并且受慣性影響，噴頭無法快速移動，致使打印過程速度較慢，打印時間較長。典型設(shè)備供FDM打印的材料一般多為熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等。標準打印材料一般以絲狀線材提供（卷軸絲），材料成本普遍較低，國產(chǎn)ABS或PLA每千克單價多在100元以內(nèi)。并且與其他使用粉末和液態(tài)材料的打印設(shè)備相比，絲材更加干凈，更易于更換、保存，打印過程也不會形成粉末或液體污染。教育教學(xué)學(xué)習(xí)市場上熔融擠壓式的3D打印機非常多，特別是面向普通消費者的桌面級打印機，幾乎是FDM的天下。最為大家所熟知的像MakerBot公司的Thing-D-Matic、Replicator系列打印機、3DSystems