熔丝沉积快速成型(20210929195230)

1、熔丝沉积快速成型1 绪论快速成形技术是一门先进制造技术，具有非常广阔的应用前景，但是国内企业应用快 速成形技术依赖国外生产的设备，导致应用本钱高昂，影响了快速成形技术在国内的推广 和应用。熔丝沉积快速成形(FDM)方法是快速成形技术中的一个重要分支，它涉及到机械、数控、高分子材料和计算机等技术，熔丝沉积快速成形设备具有硬度高、不使用激光器、 设备本钱低等优点，其制件强度好。因此 , 研究和开发国产化的熔丝沉积快速成形设备具 有重要的义。本文主要讲了熔丝沉积成型的工作原理，应用范围2 FDM 快速成型技术简介2.1 熔融沉积制造技术简介：研究熔融沉积制造 (Fuesd Depostion Mod

2、eling 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最为 广泛。Stratasys 公司于1993年开发出第一台 FDM-1650(台面为250mmx250mmx250mr机 型后，先后推出 FDM-2000 FDM-3000和FDM-8000机型。图 1 为美国 Stratasys 公司生产的 Dimension 型号的 FDM快速成型机外形，成型尺寸203mmX203mmx305mm。该系统采用挤出头磁浮定位 (Magnic Drive) 系统，可在同一时 间独立控制两个挤出头。因

3、此其造型速度为过去的 5 倍。 ?图 2-1 Dimension BST 1200es 三维打印机2.2 工艺原理熔丝沉积成型(Fused Deposition Modeling简称FDM)是快速成型技术中的一种。其工作原理如图 2 所示：图 2-2 熔丝沉积成型工作原理图该系统组要包括喷头、送丝机构、运动机构、加热机构，工作台 5 个局部。工作时， 先确定各层间距、路径宽度，计算机对计算机模型进行切片，生成路径，然后在计算机控 制下喷头按路径移动出丝，喷丝粘结在工作台上已制作层面上，如此反复逐层制作，直至 最后一层，这样熔丝粘结形成所要求的实体模型。其中喷头是关键、最复杂的局部，材料 在喷头

4、中北加热熔化，喷头底部有一喷嘴供熔融的材料以一定的压力挤出，喷头沿零件截 面轮廓和填充轨迹运动时挤出材料，与前一层粘结并在空气中迅速固化，如此反复进行即可得到实体零件。它的工艺过程决定了它在制造悬臂件时需要添加支撑，这点与LOM和SLS完全不同。现在的FDM快速成型系统一般都采用双喷头独立加热，一个用来喷模型材 料制造零件，另一个用来喷支撑材料做支撑，两种材料的特性不同，制作完毕后去除支撑 相当容易。FDM 工艺的关键是用液化器代替了激光器，保持半流动成型材料刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固温度高 1 C左右。FDM 喷头受水平分层数据控制，当它沿着XY方向移动，半流动融丝材料从 FDM喷头

5、挤压出来，很快凝固，形成精确的层，每层厚度范围在 0.0250.762 mm。FDM 是各种快速成型工艺中开展速度最快的一种。目前，它以成为快速成型技术研究。 它主要有一下特点：(1) 成型设备简单，陈本低廉。FDM快速成型系统是以电加热的方式将成型材料加 热到熔融状态来成型的，不需要高本钱件激光器，因此大大简化了设备，使之本钱降低。(2) 成型过程对环境无污染。FDM工所用的成型材料一般为无毒、无味的热塑性材 料，因此对环境不会造成污染。且设备运行时噪音也很小。2.3 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

6、图 3 所示。1 设计CAD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 STL 文件的分层处理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 造型产品的造型包

7、括两个方面 ： 支撑制作和实体制作5 后处理快速成型的后处理主要是对成型进行外表处理。去除实体的支撑局部，对局部实体表 面进行处理，使成型精度、外表粗糙度等到达要求。但是，成型的局部复杂和细微结构的 支撑很难去除，在处理过程中会出现损坏成型外表的情况，从而影响成型的外表品质。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。2.4 成形材料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，

8、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。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 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 。适用于FDC 工艺的丝状材料必须具备一定的热性能

9、和力学性能。2.5 工艺特点熔融沉积制造工艺作为非激光快速原型制造系统，具有以下优点： 1成形材料广泛。2本钱低。 3成形过程对环境无污染。由于上述优点， FDM 工艺应用广泛，且开展迅速。用蜡成形的零件原型，可以直接用 于失蜡铸造。用 ABS 工程塑料制造的原型，具有较高强度，在产品设计、测试与评估等方 面得到广泛应用。FDM系统不仅应用于工业场合，而且是办公室环境的理想桌面制造系统。2.6 熔融沉积制造存在的问题是：1只适合成形中、小塑料件；成形件的外表有较明显的条纹，质量不如 SL 成形 件好。2沿成形轴垂直方向的强度比拟弱，需设计、制作支撑结构。 3 需对整个截面进行扫描涂覆，成形时间

10、较长，为此，可采用多个热喷头，同时 进行涂覆，以便提高成形效率。3 ABS 塑料ABS 树脂是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种单体共聚而成的聚合物，简称 ABS ，是人们 在对聚苯乙烯改性中开发的一种新型材料。由于具有很优异的综合屋里力学性能、良好的 耐化学性能、容易成型加工，价格又廉价，已成为用途极广的一种工程塑料。 ABS 塑料 特性ABS 塑料化学名称：丙烯腈 -丁二烯 -苯乙烯共聚物 英文名称 :Acrylonitrile ButadieneStyreneABS 为丙烯腈 A 、丁二烯 B 和苯乙烯 S 三种单体共聚而成的聚合物，简称 ABS 。每 种单体都具有不同特性，从形态上看， ABS

11、 是非结晶性材料。这就决定了 ABS 材料的耐低 温性、抗冲击性，外观特性，低蠕变性，优异的尺寸稳定性及易加工性等多种特性。且表 面硬度高、耐化学性好，同时通过改变上述三种组分的比例，可改变ABS 的各种性能，故ABS 工程塑料具有广泛用途。丁二烯为ABS 树脂提供低温延展性和抗冲击性，但是过多的丁二烯会降低树脂的硬度、光泽及流动性；丙烯腈为 ABS 树脂提供硬度、耐热性、耐酸碱 盐等化学腐蚀的性质；苯乙烯为 ABS 树脂提供硬度、加工的流动性及产品外表的光洁度。 合成的 ABS 有中冲击型、高冲击型、超高冲击型及耐热型四类。由于其具有韧、刚、硬的 优点，应用范围已远远超过 PS ，成为一种独

12、立的塑料品种。 ABS 既可用于普通塑料又可 用于工程塑料。ABS 一般参数比重: 1.05 克/立方厘米 成型收缩率 : 0.4-0.7% 吸水率 : 0.2%0.45% 成型温度： 200-240C枯燥条件：80- 90C 2小时热变形温度为：70 107C使用温度范围：- 40 C 80C 硬度：R651153.1 制备方法工业上生产 ABS 可以采用多种方法，这些方法大体可以归结为两大类：共混法和接枝 共聚法。1 共混法共混法是将 AS 树脂与丁腈橡胶按要求的比例进行熔融混炼，其混炼方法可有以下两种：1将 AS 固体树脂其组成中含丙烯腈 30%65份与丁腈橡胶 35份，加上硫化剂 和其

13、他血药的助剂，在辊筒上进行混炼。混炼方法是先将AS树脂于149205C在混炼机辊筒上使之塑化，再加上丁腈橡胶继续混炼 20min ，可得到均匀的共混 ABS 。2先用乳液聚合分别制备出 AS 树脂乳液和丁腈橡胶乳液，再将两种乳液按比列混 合均匀，并参加必要的助剂，用 BaCl 2,NaCl 或乙酸破乳沉淀，别离水洗、枯燥、送入螺 杆挤出机中混炼、挤出造粒，即得到ABS 树脂粒料。2 接枝共聚法1 乳液接枝共聚法用此法先需制备聚丁二烯胶乳。用过氧化异丙苯做引发剂，油酸钠做乳化剂，在约10C左右对丁二烯进行乳液聚合转化率75%，即得丁二烯胶乳。将丁二烯胶乳 30 份以固体含量记、苯乙烯 50 份、

14、丙烯腈 20 份参加带有高速搅 拌的反响釜中内含 300 份水，并以硫酸钾为引发剂，油酸钠为乳化剂，并加少量链转 化剂，在氮气保护下与 6575C下反响，得 ABS胶乳。用NaCI破乳沉淀，离心别离、干 燥，挤出造粒即得 ABS 料粒。2 本体悬浮接枝共聚法 将顺丁苯橡胶溶于丙烯腈、苯乙烯两种单体混合液中，进行本体聚合，当转化率到达 25%35%时，倾入水中进行悬浮聚合，将共聚物离心脱水，洗涤并枯燥，挤出造粒。3.2 结构与性能3.2.1 结构ABS 是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三元共聚物，具有结构通式H 2C a CH CHCH bCH 2c*n其分子链中三种单体比例可在较大范围内调节，其大致的

15、比例范围是： a=0.20.3 ， b=0.050.4 ， c=0.40.7 。由共混法与接枝共聚法制得的 ABS 结构上有较明显差异，共混法制得的 ABS 根本上 是 AS 树脂与丁腈橡胶的两相混合物，其结构示意图可用下列图表示：SS S S S S两相混合物接枝共聚法得到的 ABS是AS树脂分子链与丁二烯分子链接枝的结构。SS S S S AB B B B B BH 2B B ASS S S3.2.2 性能1. 一般性能ABS 的外观为不透明呈象牙色的粒料，无毒、无味、吸水率低其制品可着成各种颜色， 并具有 90%的高光泽度。 ABS 的相对密度为 1.05 ，ABS 同其它材料的结合性好

16、，易于外表 印刷、涂层和镀层处理。 ABS 的氧指数为 18.2 ，属易燃聚合物，火焰呈黄色，有黑烟，烧 焦但不滴落，并发出特殊的肉桂味。ABS 是一种综合性能十分良好的树脂，在比拟宽广的温度范围内具有较高的冲击强度和外表硬度，热变形温度比 PA、PVC高，尺寸稳定性好，收缩率在 0.4%0.8%范围内， 假设经玻纤增强后可以减少到 0.2%0.4%，而且绝少出现塑后收缩。其临界外表张力为34 38mN/cm ABS熔体的流动性比 PVC和PC好，但比PE、PA及PS差，与POM和HIPS类似。ABS的流动特性属非牛顿流体，其熔体粘度与加工温度和剪切速率都 有关系，但对剪切速率更为敏感。2 力

17、学性能ABS 有优良的力学性能，其冲击强度极好，可以在极低的温度下使用。即使ABS 制品被破坏，也只能是拉伸破坏而不会是冲击破坏。 ABS 的耐磨性能优良，尺寸稳定性好，又 具有耐油性，可用于中等载荷和转速下的轴承。ABS的蠕变性比PSF及PC大，但比PA和POM小。ABS的弯曲强度和压缩强度属塑料中较差的。ABS的力学性能受温度的 影响较大。表 3-1 列出了 ABS 塑料力学性能测试值。表 3-1 各品级的 ABS 塑料典型的力学性能3 热学性能ABS 属于无定形聚合物，无明显熔点；熔体粘度较高，流动性差；热稳定不太好，耐候性较差，紫外线可使变色；热变形温度为70 107C，制品经退火处理

18、后还可提高10C左右。对温度，剪切速率都比拟敏感；ABS在40C时仍能表现出一定的韧性，可在-40C到80C的温度范围内长期使用，不同品级的ABS各种热性能数据有所差异。表3-2 列出了 ABS 各品级的集中热性能指标测试值。表 3-2 ABS 的典型热性能数据4 电学性能ABS 的电绝缘性较好，并且几乎不受温度、湿度和频率的影响，可在大多数环境下使 用。表 3-3 中列出了 ABS 塑料电性能只是范围。表 3-3 ABS 的电性能5 耐化学试剂耐溶性ABS 具有较良好的耐化学试剂性，除了浓的氧化性酸之外，对各种酸、碱、盐类都比 较稳定，与各种食品、药物、香油精长期接触也不会引起什么变化。醇类

19、、烃类对ABS 无溶解作用。只能在长期接触中使它慢慢溶胀，醛、酮、酯、氯代烃等极性溶剂可以使它溶 解或与之形成乳浊液，冰酯酸、植物油可以引起应力开裂。6ABS 的“阻燃添加剂对 ABS 塑料具有较好阻燃作用的主要有磷系、卤系有机物及某些无机化合物，其中 无机阻燃剂在 ABS 中添加量需要到达 40%以上才有较明显的效果，同时由于其添加量大， 因此会严重损害 ABS 的物理力学性能。而磷系阻燃剂品种、数量较少，且多数又为液体和 低熔点化合物，不适用于 ABS 的造粒加工工艺。因此，当前对于 ABS 的阻燃体系主要采 用卤系阻燃剂，其中阻燃效果最好的为含溴有机化合物，如十溴联苯醚DBDPO、四溴双

20、酚A等。7 耐候性ABS 分子链中的丁二烯局部含有双键，使它的耐候性较差，在紫外线或热的作用下易 氧化降解。特别对于波长缺乏 350nm 的紫外光局部更敏感。老化破坏的宏观表现是使材料 变脆，例如经过半年户外暴露的 ABS 试样冲击强度可下降 10%。老化的脆化层起初增长较 快，随后变慢。参加酚类抗氧化剂或炭黑可在一定程度上改善老化性能。3.3 ABS 塑料的成型加工1 工艺特性ABS 同 PS 一样是一种加工性能优良的热塑性塑料，可用通用的加工方法加工。 ABS 具有良好的成型加工性，制品外表光洁度高，且具有良好的涂装性和染色性，可电镀成多 种色泽。比热容较低，在模具中凝固较快，模塑周期短，

21、制件尺寸稳定，外表光泽。ABS 是屋顶性聚合物，无明显熔点，熔融流动性温度不太高，随所含三种单体比例不同，在160190C范围具有充分的流动性，且热稳定性好，不易出现热降解现象。ABS的吸水性较高，加工前应进行枯燥处理。一般制品的枯燥条件为80C -85C, 2-4小时；对特殊要求的制品如电镀，那么需 70C-80C, 10-18小时。ABS 制品在加工中易产生内应力，如应力太大或制品对应力开裂绝对禁止，应进行退 火处理，具体方法是制品置于 70C-80C的热风循环枯燥箱内 24小时，再冷却到室温即 可。ABS 具有较小的成型收缩率，收缩率变化最大范围约为0.3%0.8%在多数情况下，其变化小

22、雨该范围。2 加工工艺1 注塑 :注塑是 ABS 塑料最重要的成型方法，可以采用柱塞式注塑机，但更常用螺杆式注塑机， 后者更适于形状复杂制品、大型制品成型。表 3-4 列出了 ABS 的典型注塑工艺条件。表 3-4 ABS 塑料挤出工艺条件2 挤出ABS 可以再通用型单螺杆挤出机上挤出管、棒、板等型材，可以用渐变型螺杆，也可 以采用突变性螺杆，螺杆长径比一般是 1820之间，压缩比为 2.53.0 之间。表 3-5 是 ABS 挤出的典型工艺表 3-5 ABS 挤出成型工艺条件3 ABS 塑料的应用范围 .ABS 是本世纪 40 年代开展起来的通用热塑性工程塑料，是一个综合力学性能十分优 秀的塑料品种，不仅具有良好的刚性、硬度和加工流动性，而且具有高韧性特点，可以注 塑、挤出或热成型。大局部汽车部件都是用注塑成型方法加工的，ABS 树脂的优点是抗冲性、隔音性、耐划痕性，耐热性更好，比 PP 更美观，特别在横向抗冲性和使用温度较为 严