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熔融沉积快速成型工艺的原理及过程
作者:赵萍 蒋华 周芝庭
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三维打印机展厅
三维打印机, 快速成型机, 3D打印材料/光固化材料, 快速成型制造软件, ...
摘要:快速成型技术中的熔融沉积造型( FDM) 工艺由于设备费用较低、材料利用率较高而在实际生产中得到广泛的应用。介绍了FDM 的工艺原理和工艺过程,并指出该工艺的特点及应用范围。
关键词:快速成型;熔融沉积造型(FDM);CAD;工艺原理

前言

快速成型技术(Rapid Prototyping) 是20 世纪80 年代中后期发展起来的一项新型的造型技术。RP 技术是将计算机辅助设计(CAD) 、计算机辅助制造(CAM) 、计算机数控技术(CNC) 、材料学和激光结合起来的综合性造型技术。RP 经过十多年的发展,已经形成了几种比较成熟的快速成型工艺:光固化立体造型( SL —Stereolithography) 、分层物体制造(LOM —Laminated Object Manufacturing) 、选择性激光烧结(SLS —Selected Laser Sintering) 和熔融沉积造型( FDM —Fused Deposition Modeling)等。这四种典型的快速成型工艺的基本原理都是一样的,但各种方法各有其特点。本文主要介绍FDM 工艺的原理及其过程。

1 熔融沉积造型( FDM) 的工艺原理

1.1 快速成型技术的基本原理

快速成型技术是对零件的三维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[1 ] 。

1.2 FDM 的工艺原理

如图1 所示。快速成型机的加热喷头受计算机控制,根据水平分层数据作x - y 平面运动。丝材由送丝机构送至喷头,经过加热、熔化,从喷头挤出粘结到工作台面,然后快速冷却并凝固。每一层截面完成后,工作台下降一层的高度,再继续进行下一层的造型。如此重复,直至完成整个实体的造型。每层的厚度根据喷头挤丝的直径大小确定。

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图1 FDM 工艺原理图

FDM 工艺关键是保持熔融的成型材料刚好在凝固点之上,通常控制在比凝固点高1 ℃左右[2 ] 。目前,最常用的熔丝线材主要是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等。1998 年澳大利亚开发出了一种新型的金属材料用于FDM 工艺———塑料复合材料丝。

2 FDM 快速成型工艺的过程

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2 所示。

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图2 快速成型的过程

2.1 设计三维CAD 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 ,U G等。

2.2 三维CAD 模型的近似处理

产品上有许多不规则的曲面,在加工前必须对模型的这些曲面进行近似处理。目前最普遍的方法是采用美国3D System 公司开发的STL(Sterolithgraphy) 文件格式。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,如Pro/ Engineering , Solidworks , MDT , Auto2
CAD ,U G等。

2.3 对STL 文件进行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01025~01762mm 之间。各种快速成型系统都带有分层处理软件,能自动获取模型的截面信息。

2.4 造型

产品的造型包括两个方面:支撑制作和实体制作。

2.4.1 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将会出现悬浮(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[1 ] 。所以FDM 造型的关键一步是制作支撑。

2.4.2 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。

2.5 后处理

快速成型的后处理主要是对原型进行表面处理。去除实体的支撑部分,对部分实体表面进行处理,使原型精度、表面粗糙度等达到要求。但是,原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原型表面的情况,从而影响原型的表面品质。于是,1999 年St ratasys 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,原型的后处理仍然是一个较为复杂的过程。

3 FDM 的特点

311 系统与运行成本

FDM 快速成型系统成本较低,不需要其他快速成型系统中昂贵的激光器;成型材料价格较低;FDM 原型特别适合有空隙的结构,可节约材料与成型时间;体积小,无污染,是办公室环境的理想桌面制造系统。但是,成型速度较慢,精度较低。

312 适用范围

适用于薄壳体零件及微小零件;原型强度比较好,近似于实体零件,可作为概念型直接验证设计。

4 结束语

由于FDM 工艺的特点, FDM 已经广泛地应用于制造行业。它降低了产品的生产成本,缩短了生产周期,大大地提高了生产效率,给企业带来了较大的经济效益。当前快速成型技术的发展趋势是将快速成型与其他先进的设计与制造技术密切结合起来,共同发展。

参考文献:
[ 1 ] 王秀峰,罗宏杰 快速原型制造技术[M] 北京:中国轻工业出版社,2001.
[ 2 ] 云虹,郭毕佳 快速成型技术的典型方法比较[J ]. 武汉纺织工学院学报,1996206.(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2008-3-22)
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