第二章熔融沉积快速成型工艺

快速成型技术及应用张汪年zwn2003@126.com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（FusedDepositionManufacturing，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MedModeler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支撑结构。2.BreakAwaySupportStructure(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。快速膛成形掀制件定可能扯出现歉的缺跳陷快速纷成形域制件平出现望的缺粒陷分碧为表阀面缺刊陷和问内部贩缺陷旬。快速寸成形卖制件冒可能阵出现熟的闸表面身缺陷1.壁CA箩D前处拌理和剩阶梯纹状表悼面形轻成的反缺陷2.顶部邻缺陷由于价喷嘴栽喷出严的材凉料路胜径具惰有圆薪形的领顶面穷，当度最后竖一层蛮顶面概沉积裤后就甩形成识屋脊圾形的弦表面蓝，这金样的耗屋脊菌形表默面需揉要光抢滑处玻理。快速练成形满制件计可能洪出现仇的铲表面笋缺陷3.喷头艺起/停误宅差造盐成的糕缺陷由于剑切片蚁后的带轮廓晃每一椅层都慈有许询多封坡闭的喜边界泊，每壁一个康封闭什的几腹何边届界都走存在绘起/停点锁，喷联头的慈移动钞速度生和丝苹材的巨进给体速率番必须躁在喷气头的绝起停溉点协桨调一闯致，耍否则厘就会猛造成属材料俩的过袖剩和隔不足牧。正确嘱的是泳：在主喷头丝式还未驱到达征终点纹时，亡丝材装进给势运动委就停童止，赶在背航压的宣作用反下，贸喷头再仍在梅喷料吼，直羊至喷洋头到爆达终轿点。快速饥成形毯制件勺可能挽出现纳的盘表面理缺陷关键午：喷航头在牌距离策终点执多远靠时，偿丝材捷停止迅进给技运动呢？停止黎太迟洞，有利太多融的丝蕉材进选入喷叠头，垒喷头歇到达约终点恋时，迹还有割材料根喷出不，造震成多怨余的煌材料压溢出烂和粗侦糙的涂表面硬。停止鸡过早添，造屡成材情料的梯供应贞不足愉。快速韵成形鼻制件停可能削出现叔的弄表面间缺陷4.撤除法支撑乖时造敬成的致缺陷主要乐指在垂去除课易剥谜离性粉支撑桨（BA祸SS）时掉，会喘在制胞件表俊面留迁下一栏些毛纳刺和齐小凹到坑。快速诊成形听制件授可能责出现填的持内部刻缺陷1.环形鲁填充灵式的笑中线战空洞立和光萌栅填广充式魄的半朗周界端空洞快速蛮成形败制件菊可能污出现奏的吵内部神缺陷在采义用圆粱环形咏填充鹿方式抹来填铲充时提，可渡以将埋每一乌层截滩面划仔分成混多个秆环形犯面，尖如果居采用岂由外晓向内君填充启，当于所剩系区域肚的宽纤度小蹄于一扮个路绣宽时屡，就赴认为际环形巧面已劲经填袜充完浊毕，钳喷嘴侄将移雾动到阻其它焦为填堤充的皮环形崇面区肿域。膏所以可，不浴可能铲使设肤置的愉路宽鬼正好呈将所音填充阔的环沈形面义全部翁填满白，因洞而，雨在环俩形面仔的中燥心处厌常常梁留下惰一个椒狭长甲的空游洞。快速熄成形漏制件苹可能罪出现迈的昏内部鞋缺陷解决图方法闸：改勿变环观形填井充的选算法在，要终求有类不完狂整的靠填充状环出翠现，机也就潮是说歌允许担宽度忌小于赵一个碰路宽鉴时，节继续尸填充虏。快速桶成形趟制件楼可能潮出现泊的拒内部惨缺陷在采布用光栽栅填滴充方爽式时作，喷谅头在句周界变的转旱角处巧，存画在一挎个急克转弯辛的运较动轨难迹，顽就像泛骑自翼行车攀时，陆本来捎是沿稀着直演道走朗，突醒然前伸边有哪个拐懂弯处网，这饮时并晃没有舟刹车圾，所继以在聪急转山弯处访会有井很大种的向饲心力帮，运躲动轨驱迹就辉是一恶条曲观线，谜这样劲，在乌喷头劳的转陆弯处质就会吵有不棕足的侵材料祸填充露，形内成半汽周界沸的空秤洞。快速他成形搂制件难可能斩出现奖的浓内部世缺陷解决拦办法猛：在扶光栅偶与周疾界的须转角砖处增猾加材示料的滴流动伴速率绪或者交改变溉光栅骄在转酷角处遵的路外径。快速饱成形太制件受可能秘出现妹的恰内部恢缺陷2.路间巷缺陷两种鹅形式啦：一是唐在相衔邻的眼两个羊路间调没有意物理剥接触等，形肥成空雹洞缺和陷，叼这个两缺陷醒容易子观察鉴到；二是束在相屈邻的渡两个饥路间犯有物银理接河触，辣但黏麻结的勉不牢伏，这颠种接可触不辈容易竟发现廊，会妇影响乔制件伯的强确度。快速许成形蜡制件葬可能计出现县的床内部始缺陷解决把方法泰：1.控制慈相邻抽路间砌的黏识结温通度，碧使得找接触忧的牢黄固2.控制卡材料史的横咐向流彻动，茂填补管空洞像。快速执成形葵制件封可能起出现晕的孕内部坐缺陷3.路径耐长度协的影裁响当沿用着很读长的情路径镜沉积爱材料鞋时，酱在沉纪积下问一道幕材料柏时，丛先沉咸积的宾材料童温度座下降按的很蔬大，秘因此袖，相眠邻路既径制愧件会谈黏结贿不牢塔。解决藏方法旗：选碰择合撑适的国路径姨长度米。快速显成形跑制件损可能瓜出现怎的咱内部动缺陷4.不一垃致的山丝径材料轮在供栏给的率过程尾中直狡径不掠是完更全不排变的孙，当弱丝径废有变摸化时祥，就疗会造源成沉兰积材影料的粒过剩径或者酱不足申。解决偷方法青：控伯制成接形室顽的温浸度，腐使其望均匀扑一直失。快速颠成形钩制件焰可能碧出现飘的胞内部格缺陷5.丝材袋截面稼配置摘形式宅引起哨的空质洞缺丛陷堆积赛出的耽三维昂模型藏的内敢部结廊构特地性主巾要取塔决于著快速劫制件方空隙骑区域城或丝邻料黏届结的羽横截捧面环旋形区侨域的等密度邮。对这偶两者忘影响梢最大航的因初素有悦：丝灭料挤霞出温淋度TE、环灯境温抽度Tc、丝驰料与索丝料户间的员空隙形、丝载料的愚流速犯和截炕面配疫置方欠式。前四旦个因号素在耀成形坑过程衫中一种般是相不变兆的，隆改变升的只失有截暮面配振置方扮式。快速灭成形墓制件海可能耍出现寇的捉内部巩缺陷截面胃配置充方式汤分为亩对齐男配置母机构勤和非浑对齐挥配置贵机构。配置粉机构对齐愿配置缎机构士：是骄许多企快速龙成形宋机采白用的馅标准挨结构榜配置枝。非对让齐配名置机括构如果踩丝料限的截幼面形冒状由口圆形撞变成摘椭圆艇形后锡，就调有可痒能在抛层增省加时捧，造做成空葛洞缺傍陷。FD例M成形厚工艺程用材臣料FD插M成形蕉工艺容所用柱材料宅为热佩塑性走材料魔且为擦高分块子化辈合物俩，其炉材料单主要麦是：AB隙S塑料租；浇铸校用蜡国；人造唯橡胶猴；聚脂无热塑匙性塑梁料；FD还M快速胆原型巴技术蚂的优那缺点一.F致DM快速嘉原型青技术取的优密点1.操作瞧环境砖干净泊、安咽全可涨在办耳公室钥环境雕下进毒行。双（没关有毒慈气或鼻化学泉物质科的危贸险，叼不使闹用激警光）2.工艺很干净肺、简拖单、废易于准材作惜且不辈产生同垃圾餐。3.尺寸征精度寒较高坡，表顺面质贵量较名好，蚕易于其装配指。可呜快速阔构建遍瓶状贩或中宽空零厅件。FD密M快速巷原型阵技术把的优泻点4.原材春料以里卷轴起丝的柔形式融提供惹，易醋于搬柜运和湾快速碑更换组。（喜运行葵费用容低）5.原材渠料费与用低笑，一医般零细件均象低于20美元衰。(价格苗便宜)6.材料种利用和率高斥。7.可选他用多四种材年料，役如可抚染色戚的AB票S和医积用AB芹S、PC、PP薄SF、浇刮铸用朴蜡和辜人造羊橡胶渠。FD多M快速隙原型苍技术争的缺斜点1.精度潮较低遇，难赶以构杰建结撕构复钻杂的蝇零件建。做重小件池或精签细件秩时精档度不扒如SL因A，最租高精食度0.匠12纷7m技m。2.与截楼面垂辟直的区方向消强度闪小。3.成形芬速度乏相对气较慢够，不桐适合村构建体大型卧零件晚。FD牌M成形酷工艺刊的用窃途FD分M成形厦工艺荒干净派，易矮于操须作，污不产衣生垃异圾，唉小型意系统周可用握于办臣公环漂境，拾没有册产生旨毒气豪和化黑学污尤染的骄危险窄，比猪较适维合于絮家用晨电器抖、办考公用戴品以榆及模超具行钳业新番产品默开发携，以抹及用腿于假较肢、味医学宾、医缘瑞疗、鲜大地务测量农、考第古等娱基于丽数字唱成像哭技术偶的三锦维实呢体模压型制消造。RP技术猛的现旺状RP技术会经过波十几府年的副发展志，设呆备与财材料搁两方鸭面都欧有了脏长足赛进步虎。目前巩由于培该技拍术的喘成本欢较高厌，加灰以制啊件的臣精度品、强勉度和冈耐久牺性还闪不能现完全周满足雾用户趟的要蚊求，响暂时锅阻碍辅了RP技术爬的推录广普群及。RP技术晌的现火状此外制，近跃年来CN课C切削抹机床角亦在鸡大步你向前裙发展则，一拌方面迟价格伴大幅瓶度下价调，筑另一子方面碗高速皂高精粥度的CN排C机床含问世耀，制振件时茫间缩浅短，摇精度梁及表稼面质拾量提倦高，劳因此配，不棵少企傍业使耐用CN蛙C切削箩机床涨快速飞制造棕金属堪或非滨金属均模具章及零态件技挑术提坝出了缸新的椒挑战思。RP