熔融沉积快速成型熔融沉积快速成型熔融沉积快速成型熔融沉积快速成型目录目录1 1概念及简介概念及简介概念及简介概念及简介3 3FDMFDMFDMFDM成型技术的特点成型技术的特点成型技术的特点成型技术的特点 4 4FDMFDMFDMFDM成型系统的组成成型系统的组成成型系统的组成成型系统的组成5 5FDMFDMFDMFDM成型材料成型材料成型材料成型材料 6 6FDMFDMFDMFDM快速成型技术的支撑快速成型技术的支撑快速成型技术的支撑快速成型技术的支撑2 27 7成型过程影响因素分析成型过程影响因素分析成型过程影响因素分析成型过程影响因素分析8 8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工艺原理及过程工艺原理及过程工艺原理及过程工艺原理及过程1111FDMFDMFDMFDM快速成型机技术优势快速成型机技术优势快速成型机技术优势快速成型机技术优势1010熔融沉积快速成型技术应用熔融沉积快速成型技术应用熔融沉积快速成型技术应用熔融沉积快速成型技术应用 9 9FDMFDMFDMFDM设备简介设备简介设备简介设备简介一 概念及简介 熔融沉积造型(Fused Deposition Modeling,FDM)采用热熔喷头，使半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤压并沉积在指定的位置凝固成型，逐层沉积、凝固后形成整个原型或零件。这一技术又称为熔化堆积法、熔融挤出成模等。1.1概念1.2 简介 丝状材料选择性熔覆（丝状材料选择性熔覆（Fused Deposition Manufacturing，简称，简称FDM），又称熔融沉积造型。），又称熔融沉积造型。 FDM快速原型工艺是一种不依靠激光作快速原型工艺是一种不依靠激光作为成型能源，而将各种丝材加热熔化的为成型能源，而将各种丝材加热熔化的成型方法。此工艺通过熔融丝料的逐层成型方法。此工艺通过熔融丝料的逐层固化来构成三维产品，以该工艺制造的固化来构成三维产品，以该工艺制造的产品目前的市场占有率约为产品目前的市场占有率约为6.1。研究熔融沉积制造(Fuesd Depostion Modeling 简称FDM)工艺的主要有Stratasys公司和Med Modeler公司。这种技术以美国Stratasys公司开发的产品制造系统应用FDM-1650(台面为250mmx250mmx250mm)机型后，先后推出FDM-2000、FDM-3000和FDM-8000机型。FDM-1650引人注目的是1998年Stratasys公司推出的FDM-Quantum机型，最大成型体积为600mmx500mmx600mm。由于采用挤出头磁浮地位系统，可在同一时间控制两个挤出头，因此其造型速度为过去的5倍。FDM-Quantum机型Stratasys公司1998年与MedModeler公司合作开发了专用于医院和医学研究单位的MedModeler机型，使用ABS材料，并于1999年推出可使用聚酯热塑性塑料的Genisys型改进机型Genisys Xs，其成型体积达305mmx203mmx203mmFDM-Genisys Xs二 工艺原理及过程FDM工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成形。如图2所示，加热喷头在计算机的控制下，可根据截面轮廓的信息，作X-Y平面运动和高度Z方向的运动。丝状热塑性材料由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热至熔融态，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓。一层截面完成后，喷头上升一截面层的高度，再进行下一层的涂覆。如此循环，最终形成三维产品。2.1 工艺原理 FDM FDM制造工艺原理制造工艺原理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设备采用了双喷头双喷头。一个喷头用于沉积模型材料，一个喷头用于沉积支撑材料。一般来说，模型材料丝精细而且成本较高，沉积的效率也较低。而支撑材料丝较粗且成本较低，沉积的效率也较高。双喷头的优点除了沉积过程中具有较高的沉积效率和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去除，如水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等。 仿真动画2.2工艺过程FDM快速成型的过程包括:设计三维CAD模型、CAD模型的近似处理、对STL文件进行分层处理、造型、后处理。如图所示。 快速成型的过程1 设计设计CADCAD三维模型三维模型 设计人员根据产品的要求，利用计算机辅助设计软件设计出三维CAD模型。常用的设计软件有:Pro/Engineering，Solidworks，MDT，AutoCAD，UG等。2 三维模型的近似处理三维模型的近似处理 用一系列相连的小三角平面来逼近曲面，得到STL格式的三维近似模型文件。许多常用的CAD设计软件都具有这项功能。3 STLSTL文件的分层处理文件的分层处理 由于快速成型是将模型按照一层层截面加工，累加而成的。所以必须将STL格式的三维CAD模型转化为快速成型制造系统可接受的层片模型。片层的厚度范围通常在0.0250.762之间。4 造型造型 产品的造型包括两个方面:支撑制作和实体制作。5 后处理后处理 快速成型的后处理主要是对成型进行表面处理。去除实体的支撑部分，对部分实体表面进行处理，使成型精度、表面粗糙度等达到要求。但是，成型的部分复杂和细微结构的支撑很难去除，在处理过程中会出现损坏成型表面的情况，从而影响成型的表面品质。于是，1999年STratasys公司开发出水溶性支撑材料，有效的解决了这个难题。目前，我国自行研发FDM工艺还无法做到这一点，成型的后处理仍然是一个较为复杂的过程。三 FDM成型技术的特点由于采用了热融挤压头的专利技术，使整个系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。可以使用无毒的原材料，设备系统可在办公环境中安装使用。成型速度快。用熔融沉积方法生产出来的产品，不需要 SLA 中的刮板再加工这一道工序。系统校准为自动控制。3.1FDM成型技术的优点用蜡成型的零件原型，可以直接用于熔模铸造。可以成型任意复杂程度的零件，常用于成型具有很复杂的内腔、孔等零件。原村料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。原材料利用率高，且材料寿俞长。支撑去除简单无需化学清洗，分离容易。3.2FDM成型技术的缺点成型件的表面有较明显的条纹。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。需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。原材料价格昂贵。FDM工艺选用材料与其他几种快速原型工艺选用材料的比较指标指标SLALOMSLSFDM成型速度较快快较慢较慢原型精度高较高较低较低制造成本较高低较低较低复杂程度复杂简单复杂中等零件大小中小件中大件中小件中小件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、低熔点金属等四 FDM快速成形的系统组成3.1 硬件系统硬件系统 硬件系统由机械系统和控制系统组成。硬件系统由机械系统和控制系统组成。4.1.1 机械系统机械系统由运动、喷头、成形室、材料室、等机械系统由运动、喷头、成形室、材料室、等单元组成，多采用模块化设计，各个单元相互单元组成，多采用模块化设计，各个单元相互独立。独立。 运动单元只完成扫描和喷头的升降动作，且运动单元只完成扫描和喷头的升降动作，且运动单元的精度决定了整机的运动精度。运动单元的精度决定了整机的运动精度。 加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作的截面轮廓信息，作X-Y平面运动和高度平面运动和高度Z方向方向的运动。的运动。 成形室用来把丝状材料加热到熔融态，材料成形室用来把丝状材料加热到熔融态，材料室用来储存室用来储存FDM用的材料。用的材料。4.1.2 控制系统控制系统由控制柜与电源柜组成，用来控制喷头由控制柜与电源柜组成，用来控制喷头的运动以及成形室的温度。的运动以及成形室的温度。4.2 软件系统 软件系统由几何建模和信息处理组成。软件系统由几何建模和信息处理组成。4.2.1 几何建模几何建模 几何建模单元是设计人员借助三维软几何建模单元是设计人员借助三维软件，如件，如Pro/E，UG等，来完成实体模型等，来完成实体模型的构造，并以的构造，并以STL格式输出模型的几何格式输出模型的几何信息。信息。4.2.2 信息处理信息处理 信息处理单元主要完成信息处理单元主要完成STL文件处理、文件处理、截面层文件生成、填充计算，数控代码截面层文件生成、填充计算，数控代码生成和对成形系统的控制。生成和对成形系统的控制。 如果根据如果根据STL文件判断出成形过程需要文件判断出成形过程需要支撑的话，先由计算机设计出支撑结构支撑的话，先由计算机设计出支撑结构并生成支撑，然后对并生成支撑，然后对STL格式文件分层格式文件分层切片，最后根据每一层的填充路径，将切片，最后根据每一层的填充路径，将信息输给成形系统完成模型的成形。信息输给成形系统完成模型的成形。4.3 供料系统由马达驱动橡胶辊子，从而将丝料送入由马达驱动橡胶辊子，从而将丝料送入成形喷头。成形喷头。五 FDM的成型材料 FDM工艺对成形材料的要求是熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小。影响材料挤出过程的主要因素是粘度。材料的粘度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利的挤出。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，从而影响成形精度。5.1 成型材料特点5.2 主要材料主要为丝状热塑性材料，常用的有石蜡、塑料、尼龙丝等低熔点材料和低熔点金属、陶瓷等的线材或丝材。在熔丝线材方面，主要材料是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料。目前用于FDM的材料主要是美国Stratasys公司的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物细丝（ABS P400）、甲基丙酸烯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物细丝（ABSi P500，医用）、消失模铸造蜡丝（ICW06 wax）、塑胶丝（Elastomer E20）。六 FDM快速成型技术的支撑 设计支撑的原因：设计支撑的原因：FDM成形中，每一成形中，每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构辅助结构“支撑支撑”，以保证成形过程，以保证成形过程的顺利实现。的顺利实现。FDM技术提供两种类型的支撑：技术提供两种类型的支撑：1. WaterWorks(水溶性支撑水溶性支撑): 可以分解于碱性可以分解于碱性水溶剂的可溶解性支撑结构。水溶剂的可溶解性支撑结构。 2.Break Away Support Structure (BASS) (易剥离性支撑易剥离性支撑): 水溶性支撑的前身，由手工将水溶性支撑的前身，由手工将支撑从工件表面剥离以移除。支撑从工件表面剥离以移除。 水溶性支撑因为可以不用考虑机械式的移除，水溶性支撑因为可以不用考虑机械式的移除，所以可以接近于细小的特征，因而用的更广泛。所以可以接近于细小的特征，因而用的更广泛。七 成型过程影响因素分析1.材料性能的影响2.喷头温度和成型室温度的影响3.挤出速度的影响4.填充速度与挤出速度交互的影响5.分层厚度的影响6.成型时间的影响7.扫描方式的影响八 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（Airpressure Jet Solidification,AJS）的工作原理如图示：8.1 工作原理气压式熔融沉积快速成形系统的工作原理气压式熔融沉积快速成形系统的工作原理 被加热到一定温度的低黏性材料（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，涂覆在工作平台或前一沉积层之上。喷头按当前层面几何形状进行扫描堆积，实现逐层凝固。工作台由计算机系统控制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。AJS系统主要由控制、加热与冷却、挤压、喷头机构、可升降工作台及支架机构6部分组成。其中控制用计算机配置有CAD模型切片软件和加支撑软件，对三维模型进行切片和诊断，并在零件的高度方向，模拟显示出每隔一定时间的一系列横截面的轮廓，加支撑软件对零件进行自动加支撑处理。数据处理完毕后，混合均匀的材料按一定比例人工送入加热室。加热室由电阻丝加热，经热电阻测温并由温度控制器使其温度恒定，使材料处于良好的熔融挤压状态，后经压力传感器测压后进行挤压，制造原型零件。控制系统能使整个AJS系统实现自动控制，其中包括气路的通断、喷头的喷射速度以及喷射量与原型零件整体制造速度的匹配等。 8.2 气压式熔融沉积快速成型系统特点1）成型材料广泛2）设备成本低3）无污染8.2.1 优点8.2.2缺点1）由于喷嘴孔径较小，对于成型材料的粘度、包含杂质的颗粒度等的要求都很严格2）由于可成型零件的最小圆角取决于出丝直径和控制技术，成型时不能成型很尖锐的拐点，成型过程中，在每一层的开始与结束点的结合处会出现熔接痕，整个零件上会出现接缝8.2.3 对传统FDM不同之处1）FDM工艺一般采用低熔点丝状材料，如蜡丝或ABS塑料丝，如果采用高熔点的热塑性复合材料，或对于一些不容易加工成丝材的材料，如EVA材料等，就会相当困难。该系统无需再采用专门的挤压成丝设备来制造丝材，工作时只需要将塑性材料倒入喷头的腔体内，依靠加热装置将其加热到熔融挤压状态，不但避免了必须采用丝材材料这一限制，而且节省了一道工序，提高了生产效率。2）所选的空气压缩机可提供1MPa范围内任何大小的气压，能准确控制使送入加热室的压缩气体压力恒定（不同材料其压力设定值可不同）。压力装置结构简单，提供的压力稳定可靠，成本低。3）传统的FDM有较重的送丝机构为喷头输送原料，即用电机驱动一对送进轮来提供推力，送丝机构和喷头采用推-拉相结合的方式向前运动，作用原理类似于活塞难免会由于送丝滚轮的往复运动致使挤出过程不连续和因震动较大而产生的运动惯性对喷头定位精度的影响。改进后的AJS系统由于没有了运丝部分而使喷头变的轻巧，减小了机构的震动提高了成型精度。9.1 Stratsys公司FDM成型机分为3个系列RP系列Stratsys系列Dimension系列的特点九 FDM设备简介RP系列：优点是运行成本低、塑料材料、设备价格低、配套模拟软件及教学培训软件；缺点是做精细工件能力弱；适用于企业用户、特别适用于高校科研和教学。下图为RP-360 FDM快速成型机Stratsys系列：优点是塑料材料、材料抗冲击性好；缺点是运行成本非常高、中大型加工尺寸设备价格高、做精细工件能力弱；适用于企业用户及科研要求的高校研究机构，不适合高校教学机构。下图为Stratasys FDM 200mc.Dimension系列的特点：优点是塑料材料、材料抗冲击性好；缺点是运行成本非常高、中大型加工尺寸设备价格高、做精细工件能力弱；适用于企业用户及科研要求的高校研究机构，不适合高校教学机构。图为Dimension BST 1200ES FDM快速成型机。9.2 国内FDM设备国内清华大学研制的融入挤压沉积成型（Melted Extrusion Modeling,MEM）也有其独特的特点，MEM机型重于特殊的喷嘴和设备的开发，成卷轴状的丝质原材料是通过加热喷头挤出，原型在一个垂直上下游动的底座上逐层制造。MEM机型 参数参数型号型号 研制研制单位单位材料材料加工尺寸加工尺寸/mm精度精度/mm外形尺寸外形尺寸/mmMEM250清华大学ABS、蜡、尼龙250x250x2500.15FDM1650Stratasys(美国)热塑性材料、ABS254x254x2540.127FDM2000ABS、蜡254x254x2542057x1524x1448FDM3000ABS、蜡、ABSi、橡胶254x254x4060.127660x1067x914FDM8000ABS457x457x6090.127FDM-QuantumABS600x500x6000.127Genisys Xs塑料、蜡305x203x203FDM-MaxumABS600x500x6000.1272235x1981x1118FDM-TITANABS、聚碳酸酯355x406x4061270x876x1981FDM-ProdigyABS、蜡203x203x254FDM-Prodigy PlusABS203x203x3051686x864x410十 熔融沉积快速成型技术的应用FDM快速成型技术已被广泛应用于汽车、机械、航空航天、家电、通讯、电子、建筑、医学、玩具等产品的设计开发过程，如产品外观评估、方案选择、装配检查、功能测试、用户看样订货、塑料件开模前校验设计以及少量产品制造等，也应用于政府、大学及研究所等机构。用传统方法须几个星期、几个月才能制造的复杂产品原型，用FDM成型法无需任何刀具和模具，瞬间便可完成。10.1 FDM在日本丰田公司的应用在日本丰田公司的应用丰田公司采用FDM工艺制作右侧镜支架和四个门把手的母模，通过快速模具技术制作产品而取代传统的CNC制模方式，使得2000 Avalon车型的制造成本显著降低，右侧镜支架模具成本降低20万美元，四个门把手模具成本降低30万美元。FDM工艺已经为丰田公司在轿车制造方面节省了200万美元。10.2 FDM在美国快速原型制造公司的在美国快速原型制造公司的 应用应用从事模型制造的美国Rapid Models & Prototypes公司采用FDM工艺为生产厂商Laramie Toys制作了玩具水枪模型，如图所示。借助FDM工艺制作该玩具水枪模型，通过将多个零件一体制作，减少了传统制作方式制作模型的部件数量，避免了焊接与螺纹连接等组装环节，显著提高了模型制作的效率。采用FDM工艺制作玩具水枪 10.3 FDM在在Mizunos公司的应用公司的应用Mizuno是世界上最大的综合性体育用品制造公司。1997年1月，Mizuno美国公司开发一套新的高尔夫球杆，通常需要13个月的时间。FDM的应用大大缩短了这个过程，设计出的新高尔夫球头用FDM制作后，可以迅速地得到反馈意见并进行修改，大大加快了造型阶段的设计验证，一旦设计定型，FDM最后制造出的ABS原型就可以作为加工基准在CNC机床上进行钢制母模的加工。新的高尔夫球杆整个开发周期在7个月内就全部完成，缩短了40%的时间。目前，FDM快速原型技术已成为Mizuno美国公司在产品开发过程中起决定性作用的组成部分。10.4 FDM在福特公司的应用在福特公司的应用福特公司常年需要部件的衬板，当部件从一厂到另一厂的运输过程中，衬板用于支撑、缓冲和防护。衬板的前表面根据部件的几何形状而改变。福特公司一年间要采用一系列的衬板，一般地，每种衬板改型要花费成千万美元和12周时间制作必需的模具。新衬板的注塑消失模被联合公司选作生产部件后，部件的蜡靠模采用FDM制作，制作周期仅3天。其间，必须小心的检验蜡靠模的尺寸，测出模具收缩趋向。紧接着从铸造石蜡模翻出A2钢模，该处理过程将花费一周时间。模具接着车削外表面，划上修改线和水平线以便机械加工。 该模具在模具后部设计成中空区，以减少用钢量，中空区填入化学粘结瓷。仅花5周时间和一半的原来成本，而且制作的模具至少可生产30000套衬板。 采用FDM工艺后，福特汽车公司大大缩短了运输部件衬板的制作周期，并显著降低了制作成本。 10.5 FDM在韩国现代公司的应用在韩国现代公司的应用韩国现代汽车公司采用了美国Stratasys公司的FDM快速原型系统，用于检验设计、空气动力评估和功能测试。FDM系统在启亚的Spectra车型设计上得到了成功的应用，现代汽车公司自动技术部的首席工程师Tae Sun Byun说：空间的精确和稳定对设计检验来说是至关重要的，采用ABS工程塑料的FDM Maxum系统满足了两者的要求，在1382mm的长度上，其最大误差只有0.75mm。 现代公司计划再安装第二套RP快速原型系统，并仍将选择FDM Maxum，Tae Sun Byun说：“该系统完美地符合我们的设计要求，并能在30个月内收回成本。”现代汽车公司采用FDM工艺制作的某车型的仪表盘 实际上，FDM工艺的应用除了上述提及的在汽车领域的应用外，在其他领域的应用也是十分广泛的，下图给出了采用FDM工艺制作的多种原型。十一 FDM快速成型机技术优势1 工程材料ABS/PC/PPSF的抗化学与耐高温以及耐冲压特性，适合研发团队用于开发功能性原型的测试。车灯车灯-1电动工具抗冲击构件空调部件耐高温构件汽车保险杠小齿轮