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FDM快速成型机加工工艺方法研究 |
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作者：侯清泉 刘春生 |
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快速成型（RP）技术可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件（模具），有效地缩短产品的研发周期，是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。使用RP技术，把概念设计置于昂贵的模具制造这一工序之前，能给设计和制造人员以检验及修改设计的机会。熔融沉积成型（FDM）是众多快速成型方法中的一种。FDM技术做出的原型件，从材料的性能以及外观看，都非常接近实际，所以在制造概念和验证产品功能方面有独特的优势。FDM使用的材料有ABS塑料丝、尼龙和蜡丝。以ABS材料为例，制作出的原型件的强度可以达到其本身强度的80%，在各种快速成型方法中是比较优越的。为加工出高质量的原型件，对FDM快速成型机的加工工艺方法进行研究是非常必要的。
1 工作原理
如图1所示，快速成型是把在CAD系统上建立的三维实体模型（电子模型）离散化，在实体模型的高度方向上按几何形状变化分成一定厚度的薄层，用这些不同高度的层面信息来控制喷头的运动轨迹进行层面加工。将这些薄层堆积起来，得到加工所需的三维造型。
FDM快速成型系统原理图
2 加工工艺方法研究
2.1 标定
在机器的最初安装调试和更换了喷嘴之后要做标定。在制作一个耗时较长或精度要求较高的原型件之前，建议重新标定一下。耗时长的原型件，尺寸可能会较大，结构复杂，若精度不够，累积误差就会大，从而影响原型件的表面加工质量。
在标定的时候，通过多次X、Y方向的调整之后，一定要通过放大镜确定最上一层support丝在model丝的正中间。在这个前提下，再将褐色的support丝扯下，测量看其平均厚度是否为0.254mm，若不满足，再调整Z方向。
2.2 上料
在上料的时候，首先要检查料是否受潮，尤其是，support丝更容易受潮。如料受潮，在挤出来的料丝中会发现有气泡存在，另外加工原型件的过程中会出现拉毛现象。一旦料受潮，需经烘干或用真空箱抽潮等手段来处理。在料箱的后盖内放入适量的干燥剂以保证料的干燥。在将料丝送入导料管之前，要沿料丝轴线斜45°剪出斜口，以便料导入送料机构及加热管。
2.3 加工位置的选定
在确定原型件的加工位置时，尽量沿着硬海绵的两侧，尤其是Y方向尺寸较大的工件。因在快速成型机的侧面有冷却用的风扇，若横着放，原型件的各个部位料丝的冷却凝固速度不一致，这显然是不合适的。若同时加工多个原型件，则还要考虑加工的效率问题，这与加工位置的选取密切相关。
2.4 喷嘴插入海绵的深度确定
喷嘴插入海绵太浅不好，原型件和硬海绵附着不牢，可能会发生窜动或倒掉，导致原型件无法完成加工或加工的质量很差。喷嘴插入海绵太深也不好，会使,support喷嘴出丝变得困难；另外model喷嘴刮海绵会很严重，同样原型件附着不牢。为了保证原型件的加工质量，要使喷嘴插入海绵2-3层料丝的深度，这主要是靠操作人员的经验来完成。
2.5 实际加工原型件时遇到的具体问题
（1）放置方位不合适
正常情况下，在用电脑给机器传过文件并进行设定之后，机器的工作头从后部运动出来，同时将support喷嘴弹出原型件的头几即,support料的基础层。如图2所示，在加工这个小屏幕时，FDM3000快速成型机出现的问题是，support喷嘴并未伸出，直接就用model喷嘴向硬海绵中挤model料丝。从图中可以看出，该扁长方体在CAD造型环境中的放置方位没有将棱边靠在坐标轴上，而是有一个很小的夹角，从图俯视图和主视图中可以看出来，CAD模型与XOZ面、XOY面的夹角都是1.8°。在分层等软件处理之前，经过手动微调到0°之后，最终将这个件正常加工出来。
图2 小屏幕在成型空间中的放置方位
（2）原型件的尺寸过大
如图3所示的液晶电视，为了有一个整体效果，要求制作的尺寸较大（210mm×143mm×28mm）。因为尺寸大和ABS料的收缩，直接导致该原型件在加工的过程中，两端翘曲量相对偏大，导致原型件与硬海绵之间的附着迸裂（前提是喷嘴插入海绵的深度是合适的）；原型件上弹，导致喷嘴与原型之间的正常间距被破坏，最后勉强制作完成，但加工质量极差。从图中可以看出，在X轴方向，该件快接近加工尺寸极限，所以类似这样的大平板件，在加工时要加以注意。为了不至于因翘曲而与硬海绵脱离，可以在分层处理时加大支撑座的尺寸。
（3）原型件过高
如图4 所示为一机箱的上盖，为了保证此件的曲面加工质量，只能选择当前这样的加工方位，并且所需的支撑最少，加工时间最短。但此加工方位的高度方向尺寸太大，尺寸为134mm×231mm×289mm，而该FDM3000快速成型机的加工范围为249mm×249mm×400mm，高度方向尺寸达到加工极限尺寸的72%。当加工接近终了时，看见原型件剧烈振颤（ 该盖子为薄壁件，成型机为提高工作效率，内部填充时喷头运动得很快，故机器本身振动就很厉害），使加工无法继续。类似的原型件加工可以分两半加工，在尺寸上留一点余量，打磨后粘接起来。
3 结语
总之，要实现快捷、高质量完成FDM原型件制作的方法和技巧有很多，只要平时对工作多加总结，遇到问题时多加以分析和研究，就会有所收获。FDM快速成型机加工工艺方法的研究，对相关的工程技术人员具有一定的借鉴和启发作用。(end)
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(12/10/2008) |
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