1、快速成型技术及应用,张汪年 ,第二章,熔融沉积快速成型 （丝状材料选择性熔覆 ）,概述,丝状材料选择性熔覆（Fused Deposition Manufacturing，简称FDM），又称熔融沉积造型。FDM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，以该工艺制造的产品目前的市场占有率约为6.1。研究FDM的主要有Stratasys公司和Med Modeler 公司。此外，清华大学推出了MEM机型。,快速成型原理,叠加法：,FDM成形的基本原理,FDM工作原理类似于标花蛋糕的制作。 1.丝状热塑性材料材料由供丝机构送进喷
2、头，在喷头中加热到熔融态。,FDM成形的基本原理,2.熔融态的丝状材料被挤压出来，按照计算机给出的截面轮廓信息，随加热喷头的运动，选择性地涂覆在工作台的制件基座上，并快速冷却固化。,FDM成形的基本原理,3.一层完成后喷头上升一个层高，再进行下一层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品。,FDM快速成形的系统组成,1.硬件系统硬件系统由机械系统和控制系统组成。 2.软件系统软件系统由几何建模和信息处理组成。 3.供料系统,硬件系统,（1）机械系统机械系统由运动、喷头、成形室、材料室、等单元组成，多采用模块化设计，各个单元相互独立。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
3、精度。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X-Y平面运动和高度Z方向的运动。成形室用来把丝状材料加热到熔融态，材料室用来储存FDM用的材料。,硬件系统,（2）控制系统 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。,软件系统,软件系统由几何建模和信息处理组成。 （1）几何建模单元是设计人员借助三维软件，如Pro/E，UG等，来完成实体模型的构造，并以STL格式输出模型的几何信息。 （2）信息处理单元主要完成STL文件处理、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。,软件系统,如果根据STL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并
4、生成支撑，然后对STL格式文件分层切片，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。,供料系统,由马达驱动橡胶辊子，从而将丝料送入成形喷头。,FDM快速成形技术的支撑,设计支撑的原因：FDM成形中，每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，这就需要设计一些辅助结构“支撑”，以保证成形过程的顺利实现。,FDM快速成形技术的支撑,FDM技术提供两种类型的支撑： 1. WaterWorks(水溶性支撑): 可以分解于碱性水溶剂的可溶解性
5、支撑结构。 2.Break Away Support Structure (BASS) (易剥离性支撑): 水溶性支撑的前身，由手工将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，所以可以接近于细小的特征，因而用的更广泛。,快速成形制件可能出现的缺陷,快速成形制件出现的缺陷分为表面缺陷和内部缺陷。,快速成形制件可能出现的 表面缺陷,1.CAD前处理和阶梯状表面形成的缺陷 2.顶部缺陷由于喷嘴喷出的材料路径具有圆形的顶面，当最后一层顶面沉积后就形成屋脊形的表面，这样的屋脊形表面需要光滑处理。,快速成形制件可能出现的 表面缺陷,3.喷头起/停误差造成的缺陷由于切片后的轮廓每一层
6、都有许多封闭的边界，每一个封闭的几何边界都存在起/停点，喷头的移动速度和丝材的进给速率必须在喷头的起停点协调一致，否则就会造成材料的过剩和不足。正确的是：在喷头还未到达终点时，丝材进给运动就停止，在背压的作用下，喷头仍在喷料，直至喷头到达终点。,快速成形制件可能出现的 表面缺陷,关键：喷头在距离终点多远时，丝材停止进给运动？停止太迟，有太多的丝材进入喷头，喷头到达终点时，还有材料喷出，造成多余的材料溢出和粗糙的表面。停止过早，造成材料的供应不足。,快速成形制件可能出现的 表面缺陷,4.撤除支撑时造成的缺陷主要指在去除易剥离性支撑（BASS）时，会在制件表面留下一些毛刺和小凹坑。,快速成形制件可
7、能出现的 内部缺陷,1.环形填充式的中线空洞和光栅填充式的半周界空洞,快速成形制件可能出现的 内部缺陷,在采用圆环形填充方式来填充时，可以将每一层截面划分成多个环形面，如果采用由外向内填充，当所剩区域的宽度小于一个路宽时，就认为环形面已经填充完毕，喷嘴将移动到其它为填充的环形面区域。所以，不可能使设置的路宽正好将所填充的环形面全部填满，因而，在环形面的中心处常常留下一个狭长的空洞。,快速成形制件可能出现的 内部缺陷,解决方法：改变环形填充的算法，要求有不完整的填充环出现，也就是说允许宽度小于一个路宽时，继续填充。,快速成形制件可能出现的 内部缺陷,在采用光栅填充方式时，喷头在周界的转角处，存在
8、一个急转弯的运动轨迹，就像骑自行车时，本来是沿着直道走，突然前边有个拐弯处，这时并没有刹车，所以在急转弯处会有很大的向心力，运动轨迹就是一条曲线，这样，在喷头的转弯处就会有不足的材料填充，形成半周界的空洞。,快速成形制件可能出现的 内部缺陷,解决办法：在光栅与周界的转角处增加材料的流动速率或者改变光栅在转角处的路径。,快速成形制件可能出现的 内部缺陷,2.路间缺陷两种形式： 一是在相邻的两个路间没有物理接触，形成空洞缺陷，这个缺陷容易观察到； 二是在相邻的两个路间有物理接触，但黏结的不牢，这种接触不容易发现，会影响制件的强度。,快速成形制件可能出现的 内部缺陷,解决方法： 1.控制相邻路间的黏
9、结温度，使得接触的牢固 2.控制材料的横向流动，填补空洞。,快速成形制件可能出现的 内部缺陷,3.路径长度的影响当沿着很长的路径沉积材料时，在沉积下一道材料时，先沉积的材料温度下降的很大，因此，相邻路径制件会黏结不牢。解决方法：选择合适的路径长度。,快速成形制件可能出现的 内部缺陷,4.不一致的丝径材料在供给的过程中直径不是完全不变的，当丝径有变化时，就会造成沉积材料的过剩或者不足。解决方法：控制成形室的温度，使其均匀一直。,快速成形制件可能出现的 内部缺陷,5.丝材截面配置形式引起的空洞缺陷堆积出的三维模型的内部结构特性主要取决于快速制件空隙区域或丝料黏结的横截面环形区域的密度。对这两者影响
10、最大的因素有：丝料挤出温度TE、环境温度Tc、丝料与丝料间的空隙、丝料的流速和截面配置方式。前四个因素在成形过程中一般是不变的，改变的只有截面配置方式。,快速成形制件可能出现的 内部缺陷,截面配置方式分为对齐配置机构和非对齐配置机构。,配置机构,对齐配置机构：是许多快速成形机采用的标准结构配置。,非对齐配置机构,如果丝料的截面形状由圆形变成椭圆形后，就有可能在层增加时，造成空洞缺陷。,FDM成形工艺用材料,FDM成形工艺所用材料为热塑性材料且为高分子化合物，其材料主要是： ABS塑料； 浇铸用蜡； 人造橡胶； 聚脂热塑性塑料；,FDM快速原型技术的优缺点,一.FDM快速原型技术的优点 1.操作
11、环境干净、安全可在办公室环境下进行。（没有毒气或化学物质的危险，不使用激光） 2.工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。 3.尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配。可快速构建瓶状或中空零件。,FDM快速原型技术的优点,4.原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。（运行费用低） 5.原材料费用低，一般零件均低于20美元。 (价格便宜) 6.材料利用率高。 7.可选用多种材料，如可染色的ABS和医用ABS、PC、PPSF、浇铸用蜡和人造橡胶。,FDM快速原型技术的缺点,1.精度较低，难以构建结构复杂的零件。做小件或精细件时精度不如SLA，最高精度0.127mm。 2.与截面垂直的方向强度小。
12、 3.成形速度相对较慢，不适合构建大型零件。,FDM成形工艺的用途,FDM成形工艺干净，易于操作，不产生垃圾，小型系统可用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险，比较适合于家用电器、办公用品以及模具行业新产品开发，以及用于假肢、医学、医疗、大地测量、考古等基于数字成像技术的三维实体模型制造。,RP技术的现状,RP技术经过十几年的发展，设备与材料两方面都有了长足进步。目前由于该技术的成本较高，加以制件的精度、强度和耐久性还不能完全满足用户的要求，暂时阻碍了RP技术的推广普及。,RP技术的现状,此外，近年来CNC切削机床亦在大步向前发展，一方面价格大幅度下调，另一方面高速高精度的CNC机床问世，
13、制件时间缩短，精度及表面质量提高，因此，不少企业使用CNC切削机床快速制造金属或非金属模具及零件技术提出了新的挑战。,RP技术的现状,但是，在成形复杂中空的零件方面，CNC切削机床是不能取代RP技术的，这种直接从概念设计迅速转为产品设计的生产模式，必然是21世纪中制造技术的主流。随着科技的进步，RP技术还会大踏步地向前发展，并将成为许多设计公司、制造公司、研究机构和教育机构等采用的基本技术。,RP技术的发展趋势,从上述RP技术的现状来看，未来几年的主要发展趋势如下： 1.提高RP系统的速度、控制精度和可靠性，优化设备结构； 2.提高数据处理速度和精度。 3.研究开发成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成型材料。,RP技术的发展趋势,4.开发新的成型能源； 5.研究开发新的成型方法； 6.继续研究快速模具制造技术； 7.扩大应用范围。,快速成型技术及应用,张汪年 ,
