熔融沉积快速成型

1、熔融沉积快速成型熔融沉积快速成型 学生：辛 何 目录目录 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，

2、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

3、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305mmx203mmx203mm FDM-Genisys Xs 二 工艺原理及

4、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

5、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。

6、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

7、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

8、，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SLALOMSLS

9、FDM 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

10、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。

11、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 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文件处文件处 理、截面层文件生成、填充计算，数控理、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。代码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

12、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

13、。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

14、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

15、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

16、 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。

17、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

18、， 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

19、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

20、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

21、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

22、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/mm MEM250 清华 大学 ABS、蜡、尼 龙 250 x250 x2500.15 FDM1650 Strata sys (美国) 热塑性材料、 ABS 254x254x2540.127 FDM2000ABS、蜡254x254x2542057x1524x1448 FDM3000 ABS、蜡、 ABSi、橡胶 254x254x4060.127660 x1067x914 FDM8000ABS45

23、7x457x6090.127 FDM-QuantumABS600 x500 x6000.127 Genisys Xs塑料、蜡305x203x203 FDM-MaxumABS600 x500 x600 0.127 2235x1981x1118 FDM-TITAN ABS、聚碳酸 酯 355x406x4061270 x876x1981 FDM-ProdigyABS、蜡203x203x254 FDM-Prodigy Plus ABS203x203x3051686x864x410 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

24、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 FDM10.1 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

25、 在轿车制造方面节省了200万美元。 10.2 FDM10.2 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 FDM10.3 FDM在在MizunosMizunos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 FDM10.4 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