第二章熔融沉積快速成型工藝

快速成型技術(shù)及應(yīng)用張汪年zwn2003@126.com第二章熔融沉積快速成型（絲狀材料選擇性熔覆）概述

絲狀材料選擇性熔覆（FusedDepositionManufacturing，簡(jiǎn)稱FDM），又稱熔融沉積造型。FDM快速原型工藝是一種不依靠激光作為成型能源，而將各種絲材加熱熔化的成型方法。此工藝通過(guò)熔融絲料的逐層固化來(lái)構(gòu)成三維產(chǎn)品，以該工藝制造的產(chǎn)品目前的市場(chǎng)占有率約為6.1％。研究FDM的主要有Stratasys公司和MedModeler公司。此外，清華大學(xué)推出了MEM機(jī)型?？焖俪尚驮懑B加法：FDM成形的基本原理

FDM工作原理類(lèi)似于標(biāo)花蛋糕的制作。1.絲狀熱塑性材料材料由供絲機(jī)構(gòu)送進(jìn)噴頭，在噴頭中加熱到熔融態(tài)。FDM成形的基本原理2.熔融態(tài)的絲狀材料被擠壓出來(lái)，按照計(jì)算機(jī)給出的截面輪廓信息，隨加熱噴頭的運(yùn)動(dòng)，選擇性地涂覆在工作臺(tái)的制件基座上，并快速冷卻固化。FDM成形的基本原理3.一層完成后噴頭上升一個(gè)層高，再進(jìn)行下一層的涂覆，如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。FDM快速成形的系統(tǒng)組成1.硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。2.軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)由幾何建模和信息處理組成。3.供料系統(tǒng)硬件系統(tǒng)（1）機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)、噴頭、成形室、材料室、等單元組成，多采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)單元相互獨(dú)立。運(yùn)動(dòng)單元只完成掃描和噴頭的升降動(dòng)作，且運(yùn)動(dòng)單元的精度決定了整機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度。加熱噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)產(chǎn)品零件的截面輪廓信息，作X-Y平面運(yùn)動(dòng)和高度Z方向的運(yùn)動(dòng)。成形室用來(lái)把絲狀材料加熱到熔融態(tài)，材料室用來(lái)儲(chǔ)存FDM用的材料。硬件系統(tǒng)（2）控制系統(tǒng)由控制柜與電源柜組成，用來(lái)控制噴頭的運(yùn)動(dòng)以及成形室的溫度。軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)由幾何建模和信息處理組成。（1）幾何建模單元是設(shè)計(jì)人員借助三維軟件，如Pro/E，UG等，來(lái)完成實(shí)體模型的構(gòu)造，并以STL格式輸出模型的幾何信息。（2）信息處理單元主要完成STL文件處理、截面層文件生成、填充計(jì)算，數(shù)控代碼生成和對(duì)成形系統(tǒng)的控制。軟件系統(tǒng)

如果根據(jù)STL文件判斷出成形過(guò)程需要支撐的話，先由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出支撐結(jié)構(gòu)并生成支撐，然后對(duì)STL格式文件分層切片，最后根據(jù)每一層的填充路徑，將信息輸給成形系統(tǒng)完成模型的成形。供料系統(tǒng)由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)橡膠輥?zhàn)樱瑥亩鴮⒔z料送入成形噴頭。FDM快速成形技術(shù)的支撐

設(shè)計(jì)支撐的原因：FDM成形中，每一個(gè)層片都是在上一層上堆積而成，上一層對(duì)當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)形狀發(fā)生較大的變化時(shí)，上層輪廓就不能給當(dāng)前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設(shè)計(jì)一些輔助結(jié)構(gòu)－“支撐”，以保證成形過(guò)程的順利實(shí)現(xiàn)。FDM快速成形技術(shù)的支撐FDM技術(shù)提供兩種類(lèi)型的支撐：1.WaterWorks(水溶性支撐):可以分解于堿性水溶劑的可溶解性支撐結(jié)構(gòu)。2.BreakAwaySupportStructure(BASS)(易剝離性支撐):水溶性支撐的前身，由手工將支撐從工件表面剝離以移除。水溶性支撐因?yàn)榭梢圆挥每紤]機(jī)械式的移除，所以可以接近于細(xì)小的特征，因而用的更廣泛?？焖偬懦尚蜗浦萍赡艹冻霈F(xiàn)歉的缺跳陷快速紛成形域制件平出現(xiàn)望的缺粒陷分碧為表閥面缺刊陷和問(wèn)內(nèi)部販缺陷旬?？焖俅绯尚钨u(mài)制件冒可能陣出現(xiàn)熟的閘表面身缺陷1.壁CA籮D前處拌理和剩階梯紋狀表悼面形輕成的反缺陷2.頂部鄰缺陷由于價(jià)噴嘴栽噴出嚴(yán)的材涼料路勝?gòu)骄叨栌袌A薪形的領(lǐng)頂面窮，當(dāng)度最后豎一層蠻頂面概沉積褲后就甩形成識(shí)屋脊圾形的弦表面藍(lán)，這金樣的耗屋脊菌形表默面需揉要光搶滑處玻理。快速練成形滿制件計(jì)可能洪出現(xiàn)仇的鏟表面筍缺陷3.噴頭藝起/停誤宅差造鹽成的糕缺陷由于劍切片蟻后的帶輪廓晃每一椅層都慈有許詢多封坡閉的喜邊界泊，每壁一個(gè)康封閉什的幾腹何邊屆界都走存在繪起/停點(diǎn)鎖，噴聯(lián)頭的慈移動(dòng)鈔速度生和絲蘋(píng)材的巨進(jìn)給體速率番必須躁在噴氣頭的絕起停溉點(diǎn)協(xié)槳調(diào)一闖致，耍否則厘就會(huì)猛造成屬材料倆的過(guò)袖剩和隔不足牧。正確囑的是泳：在主噴頭絲式還未驅(qū)到達(dá)征終點(diǎn)紋時(shí)，亡絲材裝進(jìn)給勢(shì)運(yùn)動(dòng)委就停童止，趕在背航壓的宣作用反下，貿(mào)噴頭再仍在梅噴料吼，直羊至噴洋頭到爆達(dá)終轎點(diǎn)?？焖兖嚦尚翁褐萍卓赡芡斐霈F(xiàn)納的盤(pán)表面理缺陷關(guān)鍵午：噴航頭在牌距離策終點(diǎn)執(zhí)多遠(yuǎn)靠時(shí)，償絲材捷停止迅進(jìn)給技運(yùn)動(dòng)呢？停止黎太遲洞，有利太多融的絲蕉材進(jìn)選入噴疊頭，壘噴頭歇到達(dá)約終點(diǎn)戀時(shí)，跡還有割材料根噴出不，造震成多怨余的煌材料壓溢出爛和粗偵糙的涂表面硬。停止雞過(guò)早添，造屢成材情料的梯供應(yīng)貞不足愉。快速韻成形鼻制件?？赡芟鞒霈F(xiàn)叔的弄表面間缺陷4.撤除法支撐乖時(shí)造敬成的致缺陷主要樂(lè)指在垂去除課易剝謎離性粉支撐槳（BA禍SS）時(shí)掉，會(huì)喘在制胞件表俊面留遷下一欄些毛納刺和齊小凹到坑?？焖僭\成形聽(tīng)制件授可能責(zé)出現(xiàn)填的持內(nèi)部刻缺陷1.環(huán)形魯填充靈式的笑中線戰(zhàn)空洞立和光萌柵填廣充式魄的半朗周界端空洞快速蠻成形敗制件菊可能污出現(xiàn)奏的吵內(nèi)部神缺陷在采義用圓粱環(huán)形詠填充鹿方式抹來(lái)填鏟充時(shí)提，可渡以將埋每一烏層截灘面劃仔分成混多個(gè)稈環(huán)形犯面，尖如果居采用豈由外曉向內(nèi)君填充啟，當(dāng)于所剩系區(qū)域肚的寬纖度小蹄于一扮個(gè)路繡寬時(shí)屢，就赴認(rèn)為際環(huán)形巧面已勁經(jīng)填襪充完濁畢，鉗噴嘴侄將移霧動(dòng)到阻其它焦為填堤充的皮環(huán)形崇面區(qū)腫域。膏所以可，不浴可能鏟使設(shè)膚置的愉路寬鬼正好呈將所音填充闊的環(huán)沈形面義全部翁填滿白，因洞而，雨在環(huán)倆形面仔的中燥心處厭常常梁留下惰一個(gè)椒狹長(zhǎng)甲的空游洞。快速熄成形漏制件蘋(píng)可能罪出現(xiàn)邁的昏內(nèi)部鞋缺陷解決圖方法閘：改勿變環(huán)觀形填井充的選算法在，要終求有類(lèi)不完狂整的靠填充狀環(huán)出翠現(xiàn)，機(jī)也就潮是說(shuō)歌允許擔(dān)寬度忌小于趙一個(gè)碰路寬鑒時(shí)，節(jié)繼續(xù)尸填充虜?？焖偻俺尚翁酥萍强赡艹背霈F(xiàn)泊的拒內(nèi)部慘缺陷在采布用光栽柵填滴充方爽式時(shí)作，噴諒頭在句周界變的轉(zhuǎn)旱角處巧，存畫(huà)在一挎?zhèn)€急克轉(zhuǎn)彎辛的運(yùn)較動(dòng)軌難跡，頑就像泛騎自翼行車(chē)攀時(shí)，陸本來(lái)捎是沿稀著直演道走朗，突醒然前伸邊有哪個(gè)拐懂彎處網(wǎng)，這飲時(shí)并晃沒(méi)有舟剎車(chē)圾，所繼以在聰急轉(zhuǎn)山彎處訪會(huì)有井很大種的向飼心力幫，運(yùn)躲動(dòng)軌驅(qū)跡就輝是一惡條曲觀線，謎這樣勁，在烏噴頭勞的轉(zhuǎn)陸彎處質(zhì)就會(huì)吵有不棕足的侵材料禍填充露，形內(nèi)成半汽周界沸的空秤洞?？焖偎尚螕е萍y可能斬出現(xiàn)獎(jiǎng)的濃內(nèi)部世缺陷解決攔辦法猛：在扶光柵偶與周疾界的須轉(zhuǎn)角磚處增猾加材示料的滴流動(dòng)伴速率緒或者交改變溉光柵驕在轉(zhuǎn)酷角處遵的路外徑。快速飽成形太制件受可能秘出現(xiàn)妹的恰內(nèi)部恢缺陷2.路間巷缺陷兩種鵝形式啦：一是唐在相銜鄰的眼兩個(gè)羊路間調(diào)沒(méi)有意物理剝接觸等，形肥成空雹洞缺和陷，叼這個(gè)兩缺陷醒容易子觀察鑒到；二是束在相屈鄰的渡兩個(gè)饑路間犯有物銀理接河觸，辣但黏麻結(jié)的勉不牢伏，這顛種接可觸不輩容易竟發(fā)現(xiàn)廊，會(huì)婦影響喬制件伯的強(qiáng)確度?？焖僭S成形蠟制件葬可能計(jì)出現(xiàn)縣的床內(nèi)部始缺陷解決把方法泰：1.控制慈相鄰抽路間砌的黏識(shí)結(jié)溫通度，碧使得找接觸憂的牢黃固2.控制卡材料史的橫咐向流徹動(dòng)，茂填補(bǔ)管空洞像?？焖賵?zhí)成形葵制件封可能起出現(xiàn)暈的孕內(nèi)部坐缺陷3.路徑耐長(zhǎng)度協(xié)的影裁響當(dāng)沿用著很讀長(zhǎng)的情路徑鏡沉積愛(ài)材料鞋時(shí)，醬在沉紀(jì)積下問(wèn)一道幕材料柏時(shí)，叢先沉咸積的賓材料童溫度座下降按的很蔬大，秘因此袖，相眠鄰路既徑制愧件會(huì)談黏結(jié)賄不牢塔。解決藏方法旗：選碰擇合撐適的國(guó)路徑姨長(zhǎng)度米?？焖亠@成形跑制件損可能瓜出現(xiàn)怎的咱內(nèi)部動(dòng)缺陷4.不一垃致的山絲徑材料輪在供欄給的率過(guò)程尾中直狡徑不掠是完更全不排變的孫，當(dāng)弱絲徑廢有變摸化時(shí)祥，就療會(huì)造源成沉蘭積材影料的粒過(guò)剩徑或者醬不足申。解決偷方法青：控伯制成接形室頑的溫浸度，腐使其望均勻撲一直失?？焖兕嵆尚毋^制件焰可能碧出現(xiàn)飄的胞內(nèi)部格缺陷5.絲材袋截面稼配置摘形式宅引起哨的空質(zhì)洞缺叢陷堆積賽出的耽三維昂模型藏的內(nèi)敢部結(jié)廊構(gòu)特地性主巾要取塔決于著快速劫制件方空隙騎區(qū)域城或絲鄰料黏屆結(jié)的羽橫截捧面環(huán)旋形區(qū)僑域的等密度郵。對(duì)這偶兩者忘影響梢最大航的因初素有悅：絲滅料擠霞出溫淋度TE、環(huán)燈境溫抽度Tc、絲馳料與索絲料戶間的員空隙形、絲載料的愚流速犯和截炕面配疫置方欠式。前四旦個(gè)因號(hào)素在耀成形坑過(guò)程衫中一種般是相不變兆的，隆改變升的只失有截暮面配振置方扮式?？焖贉绯尚文怪萍？赡芩３霈F(xiàn)寇的捉內(nèi)部鞏缺陷截面胃配置充方式湯分為畝對(duì)齊男配置母機(jī)構(gòu)勤和非渾對(duì)齊揮配置貴機(jī)構(gòu)。配置粉機(jī)構(gòu)對(duì)齊愿配置緞機(jī)構(gòu)士：是驕許多企快速龍成形宋機(jī)采白用的餡標(biāo)準(zhǔn)挨結(jié)構(gòu)榜配置枝。非對(duì)讓齊配名置機(jī)括構(gòu)如果踩絲料限的截幼面形冒狀由口圓形撞變成摘橢圓艇形后錫，就調(diào)有可癢能在拋層增省加時(shí)捧，造做成空葛洞缺傍陷。FD例M成形厚工藝程用材臣料FD插M成形蕉工藝容所用柱材料宅為熱佩塑性走材料魔且為擦高分塊子化輩合物倆，其爐材料單主要麥?zhǔn)牵篈B隙S塑料租；澆鑄校用蠟國(guó)；人造唯橡膠猴；聚脂無(wú)熱塑匙性塑梁料；FD還M快速膽原型巴技術(shù)螞的優(yōu)那缺點(diǎn)一.F致DM快速嘉原型青技術(shù)取的優(yōu)密點(diǎn)1.操作瞧環(huán)境磚干凈泊、安咽全可漲在辦耳公室鑰環(huán)境雕下進(jìn)毒行。雙（沒(méi)關(guān)有毒慈氣或鼻化學(xué)泉物質(zhì)科的危貿(mào)險(xiǎn)，叼不使鬧用激警光）2.工藝很干凈肺、簡(jiǎn)拖單、廢易于準(zhǔn)材作惜且不輩產(chǎn)生同垃圾餐。3.尺寸征精度寒較高坡，表順面質(zhì)貴量較名好，蠶易于其裝配指。可嗚快速闊構(gòu)建遍瓶狀販或中寬空零廳件。FD密M快速巷原型陣技術(shù)把的優(yōu)瀉點(diǎn)4.原材春料以里卷軸起絲的柔形式融提供惹，易醋于搬柜運(yùn)和灣快速碑更換組。（喜運(yùn)行葵費(fèi)用容低）5.原材渠料費(fèi)與用低笑，一醫(yī)般零細(xì)件均象低于20美元衰。(價(jià)格苗便宜)6.材料種利用和率高斥。7.可選他用多四種材年料，役如可撫染色戚的AB票S和醫(yī)積用AB芹S、PC、PP薄SF、澆刮鑄用樸蠟和辜人造羊橡膠渠。FD多M快速隙原型蒼技術(shù)爭(zhēng)的缺斜點(diǎn)1.精度潮較低遇，難趕以構(gòu)杰建結(jié)撕構(gòu)復(fù)鉆雜的蠅零件建。做重小件池或精簽細(xì)件秩時(shí)精檔度不扒如SL因A，最租高精食度0.匠12紛7m技m。2.與截樓面垂辟直的區(qū)方向消強(qiáng)度閃小。3.成形芬速度乏相對(duì)氣較慢夠，不桐適合村構(gòu)建體大型臥零件晚。FD牌M成形酷工藝刊的用竊途FD分M成形廈工藝荒干凈派，易矮于操須作，污不產(chǎn)衣生垃異圾，唉小型意系統(tǒng)周可用握于辦臣公環(huán)漂境，拾沒(méi)有冊(cè)產(chǎn)生旨毒氣豪和化黑學(xué)污尤染的驕危險(xiǎn)窄，比豬較適維合于絮家用晨電器抖、辦考公用戴品以榆及模超具行鉗業(yè)新番產(chǎn)品默開(kāi)發(fā)攜，以抹及用腿于假較肢、味醫(yī)學(xué)賓、醫(yī)緣瑞療、鮮大地務(wù)測(cè)量農(nóng)、考第古等娛基于麗數(shù)字唱成像哭技術(shù)偶的三錦維實(shí)呢體模壓型制消造。RP技術(shù)猛的現(xiàn)旺狀RP技術(shù)會(huì)經(jīng)過(guò)波十幾府年的副發(fā)展志，設(shè)呆備與財(cái)材料擱兩方鴨面都?xì)W有了臟長(zhǎng)足賽進(jìn)步虎。目前鞏由于培該技拍術(shù)的喘成本歡較高厭，加灰以制啊件的臣精度品、強(qiáng)勉度和岡耐久犧性還閃不能現(xiàn)完全周滿足霧用戶趟的要蚊求，響暫時(shí)鍋?zhàn)璧K輔了RP技術(shù)爬的推錄廣普群及。RP技術(shù)晌的現(xiàn)火狀此外制，近躍年來(lái)CN課C切削抹機(jī)床角亦在雞大步你向前裙發(fā)展則，一拌方面遲價(jià)格伴大幅瓶度下價(jià)調(diào)，筑另一子方面碗高速皂高精粥度的CN排C機(jī)床含問(wèn)世耀，制振件時(shí)茫間縮淺短，搖精度梁及表稼面質(zhì)拾量提倦高，勞因此配，不棵少企傍業(yè)使耐用CN蛙C切削籮機(jī)床漲快速飛制造棕金屬堪或非濱金屬均模具章及零態(tài)件技挑術(shù)提壩出了缸新的椒挑戰(zhàn)思。RP