第五章第五章 熔融沉积快速成型工艺熔融沉积快速成型工艺快速成型与快速模具制造技术及其应用快速成型与快速模具制造技术及其应用快速成型与快速模具制造技术及其应用快速成型与快速模具制造技术及其应用机械工业出版社（第三版）机械工业出版社（第三版） 第五章第五章 熔融沉积快速成型工艺熔融沉积快速成型工艺 熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling，FDM）是继光固化快速成型和叠层实体快速成型工艺后的另一种应用比较广泛的快速成型工艺方法。该工艺方法以美国美国Stratasys公司公司开发的FDM制造系统的应用最为广泛。该公司自1993年年开发出第一台FDM1650机型机型后，先后推出了FDM2000、FDM3000、FDM8000及1998年推出的引人注目的FDM Quantum机型，FDM Quantum机型的最大造型体积达到600mm500mm600mm。此外，该公司推出的Dimension系列小型FDM三维打印设备得到市场的广泛认可，仅2005年的销量就突破了1000台。国内的清华清华大大学学与北京殷华公司北京殷华公司也较早地进行了FDM工艺商品化系统的研制工作，并推出熔融挤压制造设备MEM 250等。1熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点2熔融沉积快速成型材料及设备熔融沉积快速成型材料及设备3熔融沉积快速成型工艺过程熔融沉积快速成型工艺过程4熔融沉积快速成型工艺因素分析熔融沉积快速成型工艺因素分析5气压式熔融沉积快速成型系统气压式熔融沉积快速成型系统第五章第五章 熔融沉积快速成型工艺熔融沉积快速成型工艺1.熔融沉积快速成型工艺的基本原理熔融沉积快速成型工艺的基本原理 第一节 熔融沉积快速成型工艺基本原理和特点 熔融沉积（Fused Deposition Modeling，FDM）又叫熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来，如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。图图5-1 熔融沉积制造工艺的基本原理熔融沉积制造工艺的基本原理 将实芯丝材原材料缠绕在供料辊上，由电机驱动辊子旋转，辊子和丝材之间的摩擦力使丝材向喷头的出口送进。在供料辊与喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦材料制成，以便丝材能顺利、准确地由供料辊送到喷头的内腔。喷头的前端有电阻丝式加热器，在其作用下，丝材被加热熔融，然后通过出口涂覆至工作台上，并在冷却后形成制件当前截面轮廓。图图5-1 熔融沉积制造工艺的基本原理熔融沉积制造工艺的基本原理第一节 熔融沉积快速成型工艺基本原理和特点 熔融沉积快速成型工艺在原型制作时需要同时制作支撑，为了节省材料成本和提高沉积效率，新型FDM设备采用了双双喷头喷头，如图5-2所示。一个喷头用于沉积模型材料，一个喷头用于沉积支撑材料。双喷头的优点除了沉积过程中具有较高沉积过程中具有较高的沉积效率的沉积效率和降低模型制作成本降低模型制作成本以外，还可以灵活地选择具有特殊性能的支撑材料，以便于后处理过程中支撑材料的便于后处理过程中支撑材料的去除去除，如水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等。图图5-2 双喷头熔融沉积工艺的基本原理双喷头熔融沉积工艺的基本原理第一节 熔融沉积快速成型工艺基本原理和特点2.熔融沉积成型工艺的特点熔融沉积成型工艺的特点优点： 系统构造和原理简单，运行维护费用低（无激光器） 原材料无毒，适宜在办公环境安装使用 用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造 可以成型任意复杂程度的零件 无化学变化，制件的翘曲变形小 原材料利用率高，且材料寿命长 支撑去除简单，无需化学清洗，分离容易 可直接制作彩色原型缺点： 成型件表面有较明显条纹 沿成型轴垂直方向的强度比较弱 需要设计与制作支撑结构 原材料价格昂贵 需要对整个截面进行扫描涂覆，成形时间较长第一节 熔融沉积快速成型工艺基本原理和特点指指 标标SLALOMSLSFDM成型速度成型速度较快快较慢较慢原型精度原型精度高较高较低较低制造成本制造成本较高低较低较低复杂程度复杂程度复杂简单复杂中等零件大小零件大小中小件中大件中小件中小件常用材料常用材料热固性光敏树脂等纸、金属箔、塑料薄膜等石蜡、塑料、金属、陶瓷等粉末石蜡、尼龙、ABS、低熔点金属等第一节 熔融沉积快速成型工艺基本原理和特点FDM工艺与其它快速成型工艺方法的比较：工艺与其它快速成型工艺方法的比较：1熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点2熔融沉积快速成型材料及设备熔融沉积快速成型材料及设备3熔融沉积快速成型工艺过程熔融沉积快速成型工艺过程4熔融沉积快速成型工艺因素分析熔融沉积快速成型工艺因素分析5气压式熔融沉积快速成型系统气压式熔融沉积快速成型系统第五章第五章 熔融沉积快速成型工艺熔融沉积快速成型工艺第二节 熔融沉积快速成型材料及设备1. 熔融沉积快速成型材料熔融沉积快速成型材料 熔融沉积快速成型制造技术的关键在于热融喷头，喷头温度的控制要求使材料挤出时既保持一定的形状又有良好的粘结性能。除了热熔喷头以外，成型材料的相关特性（如材料的粘度、熔融温度、粘结性以及收缩率等）也是该工艺应用过程中的关键。 熔融沉积工艺使用的材料分为两部分：一类是成型材料，另一类是支撑材料。第二节 熔融沉积快速成型材料及设备材料的粘度材料的粘度材料的粘度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利挤出。材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，从而影响成型精度。 材料熔融温度材料熔融温度 熔融温度低可以使材料在较低温度下挤出，有利于提高喷头和整个机械系统的寿命。可以减少材料在挤出前后的温差，减少热应力，从而提高原型的精度。 材料的粘结性材料的粘结性 FDM工艺是基于分层制造的一种工艺，层与层之间往往是零件强度最薄弱的地方，粘结性好坏决定了零件成型以后的强度。粘结性过低，有时在成型过程中因热应力会造成层与层之间的开裂。 材料的收缩率材料的收缩率 由于挤出时，喷头内部需要保持一定的压力才能将材料顺利挤出，挤出后材料丝一般会发生一定程度的膨胀。如果材料收缩率对压力比较敏感，会造成喷头挤出的材料丝直径与喷嘴的名义直径相差太大，影响材料的成型精度。FDM成型材料的收缩率对温度不能太敏感，否则会产生零件翘曲、开裂。 由以上材料特性对FDM工艺实施的影响来看，FDM工艺对成型材料的要求是熔融温度低、熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小。粘度低、粘结性好、收缩率小。 v熔融沉积快速成型工艺对原型材料的要求：熔融沉积快速成型工艺对原型材料的要求：v熔融沉积快速成型工艺对支撑材料的要求：熔融沉积快速成型工艺对支撑材料的要求：能承受一定高温度能承受一定高温度由于支撑材料要与成型材料在支撑面上接触，所以支撑材料必须能够承受成型材料的高温，在此温度下不产生分解与融化。与成型材料不浸润，便于后处理与成型材料不浸润，便于后处理 支撑材料是加工中采取的辅助手段，在加工完毕后必须去除，所以支撑材料与成型材料的亲和性不应太好。 具有水溶性或者酸溶性具有水溶性或者酸溶性 对于具有很复杂的内腔、孔等原型，为了便于后处理，可通过支撑材料在某种液体里溶解而去支撑。由于现在FDM使用的成型材料一般是ABS工程塑料，该材料一般可以溶解在有机溶剂中，所以不能使用有机溶剂。目前已开发出水溶性支撑材料。 具有较低的熔融温度具有较低的熔融温度 具有较低的熔融温度可以使材料在较低的温度挤出，提高喷头的使用寿命。 流动性要好流动性要好 由于支撑材料的成型精度要求不高，为了提高机器的扫描速度，要求支撑材料具有很好的流动性，相对而言，对于粘性可以差一些。 FDM工艺对支撑材料的要求是能够承受一定的高温承受一定的高温、与成型材料不浸润与成型材料不浸润、具有水溶性具有水溶性或者酸溶性或者酸溶性、具有较低的熔融温度具有较低的熔融温度、流动性要特别好流动性要特别好等。第二节 熔融沉积快速成型材料及设备材材 料料适用的设备系统适用的设备系统可供选择的颜色可供选择的颜色备备 注注ABS ABS 丙稀腈丁二烯丙稀腈丁二烯苯乙烯苯乙烯FDM1650FDM1650，FDM2000FDM2000，FDM8000FDM8000，FDMQuantumFDMQuantum白黑红绿蓝白黑红绿蓝耐用的无毒塑料耐用的无毒塑料ABSi ABSi 医学专用医学专用ABSABSFDM1650FDM1650，FDM2000FDM2000黑白黑白被食品及药物管理被食品及药物管理局认可的、耐用的局认可的、耐用的且无毒的塑料且无毒的塑料E20E20FDM1650FDM1650，FDM2000FDM2000所有颜色所有颜色人造橡胶材料，与人造橡胶材料，与封铅、轴衬、水龙封铅、轴衬、水龙带和软管等使用的带和软管等使用的材料相似材料相似ICW06 ICW06 熔模铸造用熔模铸造用蜡蜡FDM1650FDM1650，FDM2000FDM2000N/AN/AN/AN/A可机加工蜡可机加工蜡FDM1650FDM1650，FDM2000FDM2000N/AN/AN/AN/A造型材料造型材料Genisys ModelerGenisys ModelerN/AN/A高强度聚酯化合物，高强度聚酯化合物，多为磁带式而不是多为磁带式而不是卷绕式卷绕式表表5-2 FDM工艺成型材料的基本信息工艺成型材料的基本信息第二节 熔融沉积快速成型材料及设备材材 料料抗拉强抗拉强度度/MPa/MPa弯曲强弯曲强度度/MPa/MPa冲击韧性冲击韧性/(J/m2)/(J/m2)延伸率延伸率/%/%肖氏硬度肖氏硬度/D/D玻璃化温度玻璃化温度/ABSABS22411076105104ABSiABSi3761101.43.1108116ABSplusABSplus3652964ABS-M30ABS-M3036611396109.5108PC-ABSPC-ABS34.8501234.3110125PCPC529753.393115161PC-ISOPC-ISO528253.395161PPSFPPSF5511058.73386230E20E206.45.534796ICW06ICW063.54.31713Genisys Genisys Modeling Modeling MaterialMaterial19.326.93262表表5-3 FDM工艺成型材料的特性指标工艺成型材料的特性指标第二节 熔融沉积快速成型材料及设备 供应熔丝沉积制造（FDM）设备工艺的单位主要有美国的Stratasys公司、3D Systems公司、MedModeler公司以及国内的清华大学等。 Stratasys公司的FDM技术在国际市场上所占比例最大。2. 熔融沉积快速成型制造设备熔融沉积快速成型制造设备图图5-3 Stratasys公司于公司于1993年年开发出第一台开发出第一台FDM1650机型机型尺寸：254mm254mm254mm图图5-4 Stratasys公司的公司的FDM-Quantum机型机型尺寸：600mm500mm600mm图图5-5 Stratasys公司的公司的FDM- FDM- Genisys Xs Xs机型机型尺寸：305mm203mm203mm第二节 熔融沉积快速成型材料及设备 由于在几种常用的快速成型设备系统中，唯有FDM系统可以成为办公室使用的产品。为此，Stratasys公司专门成立了负责小型机器销售和研发部门Dimension部门。图图5-6 Stratasys公司的公司的Dimension BST768机型机型尺寸：203mm203mm305mm图图5-7 Stratasys公司的公司的Dimension BST1200机型机型尺寸：254mm254mm305mm第二节 熔融沉积快速成型材料及设备 3D Systems公司自推出光固化快速成型系统及选择性激光烧结系统后，又推出了熔融沉积式的小型三维成型机Invision 3-D Modeler系列。该系列机型采用多喷头结构，成型速度快，材料具有多种颜色，采用溶解性支撑，原型稳定性能好，成型过程中无噪声。图图5-8 3D Systems公司的公司的XT 3-D Modeler机型机型 图图5-9 3D Systems公司的公司的LD 3-D Modeler机型机型第二节 熔融沉积快速成型材料及设备1熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点2熔融沉积快速成型材料及设备熔融沉积快速成型材料及设备3熔融沉积快速成型工艺过程熔融沉积快速成型工艺过程4熔融沉积快速成型工艺因素分析熔融沉积快速成型工艺因素分析5气压式熔融沉积快速成型系统气压式熔融沉积快速成型系统第五章第五章 熔融沉积快速成型工艺熔融沉积快速成型工艺 和其他几种快速成型工艺过程类似，熔融沉积快速成型的工艺过程也可以分为前处理前处理、成型成型及后处理后处理三个阶段。CADCAD三维建模三维建模工艺参数工艺参数拟定拟定前处理 成型 后处理 第三节 熔融沉积快速成型工艺过程1. 前处理前处理CAD数字建模a) 2D 图纸图纸 b) 三维造型三维造型图图5-10 海宝笔筒海宝笔筒2D图纸与三维造型图纸与三维造型第三节 熔融沉积快速成型工艺过程图图5-11 切层软件界面切层软件界面第三节 熔融沉积快速成型工艺过程1. 前处理前处理载入模型，即导入STL文件（Aurora的使用）图图5-12 STL文件校验文件校验第三节 熔融沉积快速成型工艺过程1. 前处理前处理STL文件校验与修复 目的：目的：保证无裂缝、空洞，无悬面、重叠面和交叉面表面质量：表面质量：上表面好于下表面水平面好于垂直面垂直面好于斜面零件强度：零件强度：水平方向强于垂直方向 支撑材料：支撑材料：减小支撑面积 降低支撑高度 成型时间：成型时间：越高时间越长针对多个模型：更好地布局以便成型针对单个模型：提高成型质量及效率第三节 熔融沉积快速成型工艺过程1. 前处理前处理确定摆放方位 (a)表面质量 (b)零件强度 (c)支撑材料 (d)成型时间 目的：目的：保证无裂缝、空洞，无悬面、重叠面和交叉面第三节 熔融沉积快速成型工艺过程1. 前处理前处理确定分层参数第三节 熔融沉积快速成型工艺过程1. 前处理前处理存储分层文件打开快速成型机，连接设备检查工作台上是否有未取下的零件或障碍物系统初始化：X、Y、Z轴归零成型室预热：按下温控、散热按钮调试：检查运动系统及吐丝是否正常对高：将喷头调至与工作台间距0.3mm处打印模型：注意开始时观察支撑粘接情况成型结束，取出模型，清理成型室第三节 熔融沉积快速成型工艺过程2. 成型成型设备操作流程a) a) 处理前处理前 b) b) 处理后处理后图图5-16 海宝笔筒模型海宝笔筒模型第三节 熔融沉积快速成型工艺过程3. 后处理后处理(1)去除支撑 (2)打磨海宝笔筒产品海宝笔筒图纸成型用时：3小时20分钟第三节 熔融沉积快速成型工艺过程1熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点2熔融沉积快速成型材料及设备熔融沉积快速成型材料及设备3熔融沉积快速成型工艺过程熔融沉积快速成型工艺过程4熔融沉积快速成型工艺因素分析熔融沉积快速成型工艺因素分析5气压式熔融沉积快速成型系统气压式熔融沉积快速成型系统第五章第五章 熔融沉积快速成型工艺熔融沉积快速成型工艺第四节 熔融沉积快速成型工艺因素分析1.材料性能的影响 凝固过程中，由材料的收缩而产生的应力变形会影响成形件精度。 （1）热收缩（2）分子取向的收缩 措施：措施：（1）改进材料的配方（2）设计时考虑收缩量进行尺寸补偿2.喷头温度和成型室温度的影响 喷头温度决定了材料的粘结性能、堆积性能、丝材流量以及挤出丝宽度。成型室的温度会影响到成形件的热应力大小。 措施：措施：（1）喷头温度应根据丝材的性质在一定范围内选择，以保证挤出的丝呈熔融流动状态（2）一般将成型室的温度设定为比挤出丝的熔点温度低12。3.填充速度与挤出速度的交互影响 单位时间内挤出丝体积与挤出速度成正比，当填充速度一定时，随着挤出速度增大，挤出丝的截面宽度逐渐增加，当挤出速度增大到一定值，挤出的丝粘附于喷嘴外圆锥面，就不能正常加工。若填充速度比挤出速度快，则材料填充不足，出现断丝现象，难以成型。 措施：措施：挤出速度应与填充速度相匹配4.分层厚度的影响 一般来说，分层厚度越小，实体表面产生的台阶越小，表面质量也越高，但所需的分层处理和成型时间会变长，降低了加工效率。相反，分层厚度越大，实体表面产生的台阶也就越大，表面质量越差，不过加工效率则相对较高。 措施：措施：兼顾效率和精度确定分层厚度，必要时可通过打磨提高表面质量与精度5.成型时间的影响 每层的成型时间与填充速度、该层的面积大小及形状的复杂度有关。若层的面积小，形状简单，填充速度快，则该层成型的时间就短；相反，时间就长。 措施：措施：加工时控制好喷嘴的工作温度和每层的成型时间，以获得精度较高的成型件。6.扫描方式的影响 FDM扫描方式有多种，有螺旋扫描、偏置扫描及回转扫描等。 措施：措施：可采用复合扫描方式，即外部轮廓用偏执扫描，而内部区域填充用回转扫描，这样既可以提高表面精度，也可简化扫描过程，提高扫描效率。第四节 熔融沉积快速成型工艺因素分析1熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点2熔融沉积快速成型材料及设备熔融沉积快速成型材料及设备3熔融沉积快速成型工艺过程熔融沉积快速成型工艺过程4熔融沉积快速成型工艺因素分析熔融沉积快速成型工艺因素分析5气压式熔融沉积快速成型系统气压式熔融沉积快速成型系统第五章第五章 熔融沉积快速成型工艺熔融沉积快速成型工艺第五节 气压式熔融沉积快速成型系统 被加热到一定温度的低粘性材料(该材料可由不同相组成，如粉末粘结剂的混合物)，通过空气压缩机提供的压力由喷头挤出，涂覆于工作平台或前一沉积层之上。喷头按当前层的层面几何形状进行扫描堆积，实现逐层沉积凝固。工作台由计算机系统控制作X、Y、Z三维运动，可逐层制造三维实体和直接制造空间曲面。图图5-17 气压式熔融沉积快速成型系统基本结构示意图气压式熔融沉积快速成型系统基本结构示意图v1.工作原理工作原理v2.特点特点 优点：优点： 成型材料广泛；设备成本低、体积小；无污染。 缺点：缺点：对成型材料的粘稠度、包含杂质的颗粒度等的要求都很严格；不能成型很尖锐的拐点。 3.与传统与传统FDM的不同之处的不同之处 该系统无需再采用专门的挤压成丝设备来制造丝材。压力装置结构简单，提供的压力稳定可靠，成本低。改进后的AJS系统由于没有送丝部分而使喷头变得轻巧，减小了机构的振动，提高了成型精度。第五节 气压式熔融沉积快速成型系统熔融沉积快速原型实例熔融沉积快速原型实例熔融沉积快速原型实例熔融沉积快速原型实例熔融沉积快速原型实例电动工具抗冲击构件熔融沉积快速原型实例空调部件电动工具手柄熔融沉积快速原型实例耐高温构件熔融沉积快速原型实例汽车保险杠熔融沉积快速原型实例小齿轮等熔融沉积快速原型实例耐高温构件熔融沉积快速原型实例车灯-1熔融沉积快速原型实例车灯-2熔融沉积快速原型实例车灯-31、叙述熔融沉积快速成型工艺的基本原理。2、熔融沉积快速成型工艺的特点有哪些？3、双喷头熔融沉积快速成型工艺的突出优势是什么？4、熔融沉积快速成型的工艺过程包括几个阶段？各阶段的主要内容有哪些？5、熔融沉积工艺成型过程影响因素有哪些？这些因素是如何影响成型过程的？6、气压式熔融沉积快速成型工艺的基本原理是什么？与传统的FDM工艺相比有哪些不同之处？ 第五章第五章 熔融沉积快速成型工艺熔融沉积快速成型工艺v思考题思考题