熔融沉积制造

熔融沉积制造（FDM）名称：熔融沉积制造也称熔融挤出成型。原理：熔融沉积制造是对零件的三维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。并且不依 靠激光制作成型能源，而将各种丝材加热熔化进而堆积成理论加工过程：喷头在计算机的控制下，根据产品零 件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动；热塑性丝材由供丝机 构送至喷头，并在喷头被加热熔化成半液态，然后被挤压出 来，有选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层薄片 轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下 一层的涂覆，好像一层层的“画出”截面轮廓，如此循坏， 最终形成三维零件。具体制造过程：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、CAD、U G等。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（Sterolithgraph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，不同的精度时有不同的三角形 网格划分。如图为对同一直径的球体在不同精度条件下的表 面三角形面片表示实体制做支撑制作由于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。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。实际生产的过程中为了节省材料成本，提高沉积效率，新型 的FDM设备采用双喷头，一个喷头专用于沉积原材料丝， 另一个用于沉积支撑材料丝。一般来说，原型材料丝精细而 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，沉积效率也较高。双喷头烦人有点除了沉积过程中具 有较高的效率和较低的模型制作成本以外，还可以灵活的选 择具有特殊性能的支撑材料，以便后处理过程中支撑材料的 去除，入采用水溶性材料、低于模型熔点的热熔性材料等。材料性能要求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：(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。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。FDM 工艺特点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。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。8. 用蜡成型烦人原型零件，可直接用于熔模铸造。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。B H BlI SS IB 0- 冷FDM日口 口蕊Sfm加旳域FDM所用的材料为ABS工程塑料，制作的原型虽然具有 很好的强度，但由于台阶效应，表面粗糙度较大，加之由 于丝状堆积带来的基体材质的“各向异性”导致原型几 乎不能直接进行打磨、抛光、等表面处理。因此，最好先 对FDM原型的基体进行增强处理，再对原型的表面进行 涂覆及抛光。主要步骤如下：1. 对FDM原型进行增强处理。在三维CAD数据的直接驱 动下，FDM工艺制作的原型常常由于支撑与原型面存在 接触面，去除支撑材料后，导致原型表面丝材松散，甚至 脱理基体，使得后续的表面处理难以有一个坚强的基底。 所以在进行表面处理前，可涂覆一层增强剂，对于这些缺 陷加以修复。2. 对原型的表面进行涂覆。对增强处理后的原型进行表面涂 覆，其主要目的是填充原型表面的台阶及微细丝材间隙。3. 对原型的表面进行粗抛。待FDM原型表面涂覆完全固化 后，先后用600目和1000目的水磨砂纸打磨原型表面， 直至其表面无明显划痕。4. 表面喷涂。将粗抛好的原型放在烘箱内去除水分后，用二 甲苯稀释后的硝基底漆喷涂原型表面。