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word 文档 可自由复制编辑 材料成型技术 课程论文 题 目：熔融沉积制造-FDM 系（部）：专 业：学生姓名：学 号：完成时间：201 年 月 日 word 文档 可自由复制编辑 前 言 快速成型技术(Rapid Prototyping)是 20 世纪 80 年代中后期发展起来的一项新型的造型技术。RP 技术是将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数控技术(CNC)、材料学和激光结合起来的综合性造型技术。RP 经过十多年的发展,已经形成了几种比较成熟的快速成型工艺光固化立体造型(SL Stereo lithography)、分层物体制造(LOM Laminated Object Manufacturing)选择性激光烧结(SLSSelected Laser Sintering)和熔融沉积造型(FDM Fused Deposition Modeling)等。这四种典型的快速成型工艺的基本原理都是一样的,但各种方法各有其特点。FDM（Fused Deposition Modeling）工艺是由美国学者 Scott Crump 于 1988年研制成功，其后由Stratasys 公司推出商品化的3D Modeler 1000、1100和 FDM 1600、1650等系列产品。后来清华大学研究开发出了与其工艺原理相近的 MEM（Melted Extrusion Modeling）工艺及系列产品。1 目前，FDM 工艺已经广泛应用于汽车领域，如车型设计的检验设计、空气动力评估和功能测试；也被广泛应用于机械、航空航天、家电、通信、电子、建筑、医学、办公用品、玩具等产品的设计开打过程，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、塑料件开模前检验设计以及少量产品制造等。用传统方法需机几个星期、几个月才能制造的复杂产品原型，用 FDM 成型法无需任何道具和模具，可快速完成。word 文档 可自由复制编辑 1 熔融沉积制造工艺原理 1.1 快速成形技术基本原理 快速成型技术是对零件的三维 CAD 实体模型,按照一定的厚度进行分层切片处理,生成二维的截面信息,然后根据每一层的截面信息,利用不同的方法生成截面的形状。这一过程反复进行,各截面层层叠加,最终形成三维实体。分层的厚度可以相等,也可以不等。分层越薄,生成的零件精度越高,采用不等厚度分层的目的在于加快成型速度。1.2 FDM 的工艺原理 图 1 FDM 工艺原理图 如图 1 所示。成形时，丝状的成形材料和支撑材料由送丝机构送至各自对应的微细喷头，在喷头的挤出部位被加热至熔融或半熔融状态。喷头在计算机控制 下，按照模型的 CAD 分层数据控制的零件截面轮廓和填充轨迹作 X-Y 平面运动；同时在恒定压力下，将融化的材料以较低的速度连续的挤出并控制其流量。材料被选择 性的沉积在层面指定位置后迅速凝固，形成截面轮廓，并与周围的材料凝结。一层截面完成后，工作台下降一层的高度（0.25-0.75mm），再继续进行下一层的沉积。如此重复，直至完成整个实体的造型3。2 熔融沉积制造系统简介 2.1 硬件系统 一般熔融沉积制造机械系统包括运动、喷头、成型室、材料室、控制室和电源室等单元，喷头是该系统的关键部件7。以上海富力奇公司推出的 TSJ 系列快速成型机为例介绍一下喷头结构8。如图 2，喷头内的螺杆和送丝机构可用同一步进电机驱动，当外 word 文档 可自由复制编辑 部计算机发出指令后，步进电机驱动螺杆，同时通过同步齿形带传动与送料辊将塑料丝送人成型头，在喷头中熔融，并在螺杆挤压作用下通过喷嘴涂覆在工作台上。图 2 FDM 快速成型系统喷头结构示意图8 2.2 软件系统 几何建模单元是由设计人员借助 CAD 软件，如 PRO/E、Auto-CAD 等构造产品的实体模型或由三维测量仪（CT、MRI 等）获取的数据重构产品的实体模型，最后以STL 格式输出原型的几何信息。信息处理单元由 STL 文件处理、工艺处理、数控、图形显示等模块组成，分别完成对 STL 文件错误数据检验与修复、层片文件生成、填充线计算、数控代码生成和对原型机的控制。其中，工艺处理模块根据 STL 文件判断制作成型过程中是否需要支撑，如需要支撑则进行支撑结构设计，并以 CLI 格式输出产生分层 CLI 文件。2.3 供料系统 供料系统主要完成原型材料和支撑材料的精准供给。送料时，实芯丝材原材料缠绕在供料辊上，由电动机驱动辊子旋转，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。word 文档 可自由复制编辑 3 熔融沉积制造系统设备简介 目前研究熔融沉积工艺设备的主要有美国的 Stratasys 公司、MedModeler 公 司以及国内的清华大学。所有 Stratasys 公司生产的设备都具有下列特征10：（1）设备结构紧凑，设计成“即插即用”原型机；（2）无需激光器，能量损耗低；（3）不需冷却水；（4）对操作者而言，不需排除刺激的或有毒的蒸汽；（5）可在办公环境下操作。FDM3000 是系列机（包括 FDM1650、FDM2000、FDM8000）中的标准设备。与其他机型相比，该设备有两个喷头，可以同时挤出模型材料和支撑料。设备本身紧凑，只有160Kg，不需要多余的配置，只需 230V/10A的电压，通过一个V24 的接口与工作站联系，喷头是可更换的。图 3 FDM3000原型机 图 4 FDM Titan 原型机 图 3 型号为 FDM3000，其技术参数如下：使用材料：ABS（P400）支撑材料：水溶性支撑材料 成形尺寸：254mm 254mm 254mm word 文档 可自由复制编辑 精 度：Model 尺寸127 mm，精度为0.178 mm（-0.001 4 mm/mm）Model 尺寸127 mm，精度为0.053 4 mm/mm 层 厚：0.177 8 mm 0.254 0 mm 0.304 8 mm 重 量：160Kg 电 源：230V/10A 图 4 为 FDM Titan 原型机，其技术参数如下：成型尺寸：14x16x16in(355x406x406mm)成形材料：ABS、PC、PPSF 每层厚度：0.12(ABS)/0.17(PC)/0.25mm 支撑材料：水溶性支撑(ABS)，易于剥离支撑(PC/PPSF)重 量：726kg 电 源：230V，50/60Hz，3Pase，16A 外观尺寸：1270(W)x876(D)x1981(H)mm 图 5 FDM Maxum原型机 图 6 Fortus 400C 原型机 图 5 为 FDM Maxum 原型机，其技术参数如下：成形尺寸:23.6x19.7x23.6in(600 x500 x600mm)成形材料:ABS（p400）ABS Si（P500）每层厚度:0.12/0.17/0.25mm 支撑材料:WaterWorks for ABS 重 量:1134kg word 文档 可自由复制编辑 电 源:208-240V AX,50/60Hz,32A 外观尺寸:2235(W)x1981(D)x1118(H)mm 对于塑料来讲，FDM Maxum是最大最快的 FDM设备，设计用来成形 ABS 模型。其速度快的原因在于采用电磁式空气线轴承驱动。工作时，定子固定在底座，转子安装在挤出头中，喷头靠移动的电磁场在 x，y 方向定位，移动迅速、准确，并且因为是空气支撑，非常接近于无摩擦10。图 6 为 Fortus 400C 原型机，其技术参数如下：Fortus 400C 原型机技术参数 成形尺寸：356 x 254 x 254 mm（406 x 356 x 406 mm）成形材料：ABS、PC、PPSF/PPSU 每层厚度：0.330 mm 0.254 mm 0.178 mm 0.127 mm 成形精度：(+/-.127 mm or+/-.0015 mm per mm）支撑材料：水溶性（ABS，PC-ABS）；易于剥离支撑（PC,ULTEM 9085,PPSF/PPSU）电 源：230 VAC,50/60 Hz,3 phase,16A/phase 4 FDM 快速成型工艺过程 FDM快速成形工艺流程图如下图 7 所示：图 7 FDM 快速成形工艺流程图 4.1 产品三维建模 设计人员接到设计任务后，首先根据产品的使用要求，利用计算机辅助设计软件设计出产品的三维模型。目前常用的设计软件有:Pro/E、Solidworks、MDT、AutoCAD、U G 等4。或由三维测量仪（CT、MRI 等）获取的数据重构产品的实体模型，最后以STL 格式输出原型的几何信息。4.2 三维模型分层处理 在得到零件三维实体后，要完成最终造型，必须得到每一层的二维截面信息，所以必须对三维模型进行分层处理。目前最普遍的方法是采用美 国 3D System 公 司 开 发 的 STL(Sterolithgraphy)文件格式。这种文件格式是将 CAD表面离散化为三角形面片，如图 7 所示。根据实体的表面曲率，实体的表面由众多的三角形面片组成，不同的 word 文档 可自由复制编辑 精度时有不同的三角形网格划分。如图 8 为对同一直径的球体在不同精度条件下的表面三角形面片表示6。图 8 STL 格式文件三角面片表示 图 9 不同精度条件下球体表面三角片面表示 4.3 FDM 造型 产品的造型包括两个方面:支撑制作和实体制 4.3.1 支撑制作 由于 FDM 的工艺特点,系统必须对产品三维 CAD 模型做支撑处理,否则,在分层制造过程中,当上层截面大于下层截面时,上层截面的多出部分会出现悬浮(或悬空),从而使截面部分发生塌陷或变形,影响零件原型的成型精度,甚至使产品原型不能成型。支撑还有一个重要的目的:建立基础层。在工作平台和原型的底层之间建立缓冲层 ,使原型制作完成后便于剥离工作平台。此外,基础支撑还可以给制造过程提供一个基准面。所以 FDM 造型的关键一步是制作支撑。4.3.2 实体制作 在支撑的基础上进行实体的造型,自下而上层层叠加形成三维实体,这样可以保证实体造型的精度和品质。4.4 后处理 快速成型的后处理主要是对原型进行表面处理。去除实体的支撑部分,对部分实体表面进行处理,使原型精度、表面粗糙度等达到要求。但是,原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原型表面的情况,从而影响原型的表面品质。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,原型的后处理仍然是一个较为复杂的过程。5 FDM 工艺过程影响因素 5.1 材料性能 材料的性能直接影响成形过程及成形精度。FDM 工艺对材料以下性能有所要求：word 文档 可自由复制编辑（1）材料的粘度：材料的粘度低，流动性好，阻力就小，有助于材料的顺利挤出。材料的流动性差，需要很大的压力才能挤出，会增加喷头的起停响应时间，从而影响成形精度。（2）材料的熔融温度：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。而且，减少材料在挤出前后的温差，能够减少热应力，从而提高原型的精度。（3）材料的粘结性：FDM 原型的层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形以后的强度。粘结性过低，有时在成形过程中因热应力会造成层与层之间的开裂。（4）材料的收缩率：挤出后的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，会造成挤出材料丝直径与喷嘴名义直径相差过大影响成形精度。另外，FDM 成形材料收缩率对温度不能太敏感，否则会产生零件翘曲、开裂。为此，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。另外，FDM 材料还要有良好的成丝性；在相变过程中具有良好的化学稳定性，且要有小的收缩性。FDM 工艺选用的材料为丝状热塑性材料，常用的有石蜡、塑料、尼龙丝等低熔点材料和金属、陶瓷等的线材或丝材7。此外，FDM 工艺对支撑材料性能同样有一定的要求，主要有：（1）能承受一定的高温 由于支撑材 料要与成形材料在支撑面上接触，因此，支撑材料必须能够承受成形材料的高温，在此温度下不产生分解与融化 （2）与成形材料不浸润，便于后处理 支撑材料室加工中的辅助手段，在加工完毕后必须去除，所以支撑材料与成形材料的亲和性不应太好 （3）具有水溶性或酸溶性 为了便于后处理，支撑材料最好可以在某种溶液里溶解 （4）具有较低的熔融温度 材料在较低的温度挤出，提高喷头的使用寿命 （5）流动性要好 由于支撑材料的成形精度要求不高，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，粘性何以差一些。5.2 喷头温度和成型室温度 喷头温度决定了材料的粘度性能、堆积性能、丝材流量以及挤出宽度。喷头温度太低，则材料粘度打，挤丝速度慢，不仅加重挤压系统负担，还有可能造成喷嘴堵塞，而且材料层间粘结强度降低，可能引起层间剥离。温度太高，材料偏向于液态，粘性系数偏小，流动性强，挤出速度快，无法形成可精确控制的丝。这样会出现前一层材料还未冷却成形，后一层材料就加压其上，从而使前一层材料坍塌和破坏。因此，喷头温度应根据丝材的性质在一定范围内选取。成形室的温度对成形件的热应力有影响。温度过高，有助于减小热应力，但零件表面易于起皱；温度过低，从喷嘴挤出的丝材材骤冷使成形件热应力增加，容易引起零件 word 文档 可自由复制编辑 翘曲变形。而且由于挤出丝冷却速度过快，导致层间粘结不牢固，会有开裂的倾向。因此，一般成型室的温度设定为比挤出丝的熔点温度低 12 C.5.3 挤出速度和填充速度 挤出速度是指丝材在送丝机构的作用下，从喷嘴中挤出时的速度，填充速度则是指喷头在运动机构的作用下，按轮廓路径和填充路径运动时的速度。如果填充速度与挤出速度匹 配后出丝太慢，则材料填充不足，出现“断丝”现象，难以成型；相反，填充速度与挤出速度匹配后出丝太 快，熔丝堆积在喷头上，使成型面材料分布不均匀，表面会有“疙瘩”，影响造型质量.所以，应根据具体情况，将挤出速度和填充速度进行合理匹配。5.4 分层厚度 由于每层有一定的厚度，会在成形后的实体表面产生台阶效应，直接影响到成形后实体的尺寸误差和表面粗糙度。一般来说，分层厚度越小，台阶效应越不明显，表面质量也越高，但是分层处理和成形时间会变长，降低成形效率。相反，分层厚度越大，表面质量越差，但成形效率相对较高。可在实体成形后进行打磨，抛光等后处理来提高成形精度。5.5 延迟时间 延迟时间包括出丝延迟时间和断丝延迟时间。当送丝机构开始送丝时，喷嘴不会立即出丝，而有一定的滞后，把这段滞后时间称为出丝延迟时间。同样当送丝机构停止送丝时，喷嘴也不会立即断丝，把这段滞后时间称为断丝延迟时间。在工艺过程中，需要合理地设置延迟时间参数，否则会出现拉丝太细，黏结不牢或未能黏结，甚至断丝、缺丝的现象，或者出现堆丝、积瘤等现象，严重影响原型的质量和精度9。5.6 扫描方式 合适的扫描方式可降低原型内应力的积累，有效防止零件的翘曲变形。熔融沉积工艺方法中的扫描方式有多种，如从制件的几何中心向外依次扩展的螺旋扫描，按轮廓形状逐层向内偏置的偏置扫描及按 X、Y 轴方向扫描、回转的回转扫描等。通常，偏置扫描成形的轮廓尺寸精度容易保证，而回转扫描路径生产简单，但轮廓精度较差。为此，可以采用复合扫描方式，即外部轮廓用偏置扫描，而内部区域填充用回转扫描，从而既可以提高表面精度，也可以简化扫描过程，提高扫描效率。6 FDM 工艺特点及应用 1.成形材料广泛,一般的热塑性材料如石蜡、塑料、尼龙丝等，适当改性后都可以用于熔融沉积制造。该工艺也可以堆积复合材料零件，如把低熔点的蜡或塑料熔融时与高熔点的金属粉末、陶瓷粉末、剥离纤维、碳纤维等混合成多相成形材料。2.成形设备简单，成本低,FDM 技术靠材料熔融实现连接成形，用液化器代替了激光器，相比其他使用激光器的工艺方法，大大简化了设备，制作费用大大减低。且设备运行，维护也相对容易，可靠性高。word 文档 可自由复制编辑 3.使用无毒的原材料，成形过程对环境无污染，设备系统可在办公环境中安装使用 4.可以成形任意复杂程度的零件，常用于成形具有很复杂的内腔、孔等零件 5.原材料在成形中无化学变化，制件的翘曲变形小 6.原材料利用率高，且材料寿命长 7.支撑去除容易，无需化学清洗，分离容易 任何工艺都有其优点和缺点，熔融沉积制主要存在以下几个方面的问题：(1)只适合成形中、小型的塑料件；(2)成形件表面有较明显的条纹，表面精度不高；(3)沿成形轴垂直支撑结构；(4)需对整个截面方向的强度比较弱；(5)需设计、制作进行扫描涂覆，因此成形时间较长；(6)原材料价格昂贵。目前，FDM 工艺已经广泛应用于汽车领域，如车型设计的检验设计、空气动力评估和功能测试；也被广泛应用于机械、航空航天、家电、通信、电子、建筑、医学、办公用品、玩具等产品的设计开打过程，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、塑料件开模前检验设计以及少量产品制造等。用传统方法需要几个星期、几个月才能制造的复杂产品原型，用 FDM 成型法无需任何道具和模具，可快速完成。word 文档 可自由复制编辑 参考文献 1张人佶.先进成形制造实用技术M.北京：清华大学出版社，2008.2侯清泉，刘春生.快速成型机加工工艺方法研究J.黑龙江科技学院学报，2009,（1）：14-15.3陈雪芳，荣 静.基于 FDM 的快速成型质量的研究J.苏州市职业大学学报,2009,(3):100-103 4赵 萍，蒋 华，周芝庭.熔融沉积快速成型工艺的原理及过程 J.机械制造与研究,2007，(5):40-41.5赵吉斌，刘军伟.快速成型技术中基于 STL 模型的分层算法研究 J.机械制造与研究,2006，(7):49-51.6范春华等主编.快速成型技术及其应用 M.北京：电子工业出版社,2007.7张彦华，薛克敏主编.材料成型工艺M.北京：高等教育出版，2006.8刘伟军等主编.快速成型技术及应用 M.北京：机械工业出版社，2005 9余东满，李晓静，王 笛.熔融沉积快速成型工艺过程分析及应用 J.机械制造与研究,2007，(1):101-105