3D打印增材制造技术 课件 【ch03】材料挤出打印技术

第三章材料挤出打印技术高等学校动画与数字媒体专业『全媒体』创意创新系列教材设计造型基础01熔融沉积制造技术PARTONE熔融沉积成型(FusedDepositionModeling，FDM)也称熔融沉积制造、熔融堆积成型熔融挤出成型、熔丝堆积成型及熔融喷丝成型等，是增材制造领域中应用较广的快速成型工艺方式，该工艺思想由美国学者ScottCrump于1988年首次提出，并在1991年开发了首台商业机型。FDM技术已被广泛应用于汽车、机械、航空航天、家电、通信、电子、建筑、医学、玩具等产品的设计开发过程，如产品外观评估、方案选择、装配检查、功能测试、用户看样订货、塑料件开模前校验设计及少量产品制造等，也应用于政府、大学及研究所等机构。3.1熔融沉积制造技术3.1熔融沉积制造技术FDM技术的原理如图3-1所示，首先将原材料预先加工成特定直径(通常有1.75mm和3mm两种规格)的圆形线材，然后通过送丝结构驱动圆形线材，经导向管进入喷头，在喷头内加热融化后由尖端喷嘴挤出。喷头沿XY平面以一定路径扫描填充层片轮廓，完成一次平面扫描后，工作平台沿2轴向下移动一个层厚的距离，继续沉积下一层片轮廓，逐层堆积构建三维实体。打印过程中相邻丝材的黏结在热能和表面势能的作用下完成，并在一定环境源度下冷却成型。喷嘴直径一般为0.2~0.8mm，其他条件相同的情况下，喷嘴直径越小，打印模型的表面精度越高。基本原理及特点13.1熔融沉积制造技术基本原理及特点1在FDM技术中，用于模型制作或者零部件的直接成型制造的材料主要有石蜡、PLA、ABS、聚碳酸酷、尼龙、低熔点金属、陶瓷等低熔点材料，以及应用于航空航天、生物医学等领域的复合材料，打印原材料的多样性是其他增材制造技术不具备的。此外，FDM技术可以沉积多种颜色的材料，而且所用的原材料基本是盘卷形式的丝束，便于搬运、更换和存放。FDM技术的一个关键点是保持从喷嘴中喷出的熔融状态下的原材料温度稍高于凝固点一般是控制在比凝固点高5~10C之间。如果温度太高，那么会导致材料凝固不及时，会出现模型变形、表面精度低等问题，但如果温度太低或者不稳定，那么容易造成喷头堵塞，导致打印失败。FDM系统价格和技术成本低、体积小、无污染，能直接做出ABS制件，但生产效率低精度不高，成型件表面有较明显的条纹或者台阶效应，成型件存在各向异性的力学特点，沿竖直叠加方向的黏结强度相对较弱。3.1熔融沉积制造技术成型系统与设备21.软件部分软件部分主要由计算机、应用软件、底层控制软件和接口驱动单元组成。(1)计算机一般采用上位机和下位机两级控制。其中，上位机一般采用配置高、运行速度快的PC机:下位机采用嵌入式系统DSP(数字信号处理器)，驱动执行结构。上位机和下位机通过特定的通信协议进行双向通信，构成控制的双层结构。为提高数据的传输速率和日靠性，上位机和下位机的接口可选用通信速率高、数据传输量大的PCI接口，实现多重复杂控制任务的高效性与协调运动。3.1熔融沉积制造技术成型系统与设备21.软件部分软件部分主要由计算机、应用软件、底层控制软件和接口驱动单元组成。(1)计算机一般采用上位机和下位机两级控制。①从CAD模型生成符合快速打印成型工艺特点的数据信息。②设置打印参数信息。③对打印成型情况进行监控并接收运动参数的反馈，必要时通过上位机对成型设备的运动状态进行干涉。④实现人机交瓦，提供打印成型进度的实时显示。⑤提供可选加工参数询问，满足不同材料和加工工艺的要求。3.1熔融沉积制造技术成型系统与设备21.软件部分软件部分主要由计算机、应用软件、底层控制软件和接口驱动单元组成。(2)应用软件主要包括下列模块处理部分。①D切片模块:基于STL文件切片模块。②数据处理模块具有切片模块到打印位图数据的转换，打印区域的位图排版功能:对于彩色打印还需要对彩色图像进行分色处理。③工艺规划模块:具有打印控制方式、打印方向控制等模块。④安全监控模块:设备和打印过程故障自诊断，故障自动停机保护。3.1熔融沉积制造技术成型系统与设备21.软件部分软件部分主要由计算机、应用软件、底层控制软件和接口驱动单元组成。(3)底层控制软件：主要用于下位机控制各个电机，以完成铺粉辑的平移和自转、粉缸升降、打印小车系统的XY平面运动。(4)接口驱动单元:主要完成上位机与下位机接口部分的驱动。3.1熔融沉积制造技术成型系统与设备22.机械部分机械部分是执行打印命令的定位部分，其XYZ空间轴由电机、支架、同步轮、传送带等组成，软件部分生成的打印坐标就由此定位。挤出机主要分为齿轮挤出机、直接挤出机和液体挤出机三种类型。下面介绍常用的齿轮挤出机和直接挤出机两种类型。(1)齿轮挤出机:步进电机用小齿轮带动大齿轮进行挤丝。这种装置的优点在于对于步讲申机的电流和参数要求并不是太高，同时由于采用齿轮减速加力，挤丝力量会较好。缺点就是这种装置的结构复杂程度较高，维护起来麻烦。(2)直接挤出机:步进电机直接连接挤丝轮进行挤丝。这需要用较大扭矩的步进电机。这种结构的优点在于结构简单、好维护，但是不适合长距离挤丝(喷头和挤出机之间的距离比较长，有些打印机为提高精度，会尽量减小喷头的质量，需要将挤出机放在机身上，在喷头到挤出机之间将聚四氟乙烯管用作导管)。3.1熔融沉积制造技术成型系统与设备23.电子部分电子部分可以理解为软件和机械部分的桥梁，主要对软件生成的指令和数据进行缓存实现对电机的控制、温度的控制等。软件生成的坐标指令就由电子部分控制、机械部分执行以达到精准打印的目的。电子部分包括系统板、主板、电机驱动板、温度控制板(如果采用热敏电阻测温，那么一般不需要用到温控板)、加热管、热电偶(或者是热敏电阻)、热床。3.1熔融沉积制造技术成型工艺过程33D打印工艺过程可分为前处理、打印及后处理三个阶段。前处理阶段包括成型件三维模型的构造、三维模型的近似处理、模型成型方向的选择、三维模型的切片处理和生成支撑结构。打印阶段一般都是设备根据设定的制作参数自动进行的。后处理阶段主要包括清洗、去除支撑、打磨及改性处理等。县体细分的话，整个打印讨程可划分为以下5个步骤。1.建模(1)直接下载模型。(2)通过3D扫描仪逆向工程建模。3D扫描仪逆向工程建模就是通过扫描仪先对实物进行扫描，得到三维数据，然后加工修复。它能够精确描述物体三维结构的一系列坐标数据将这些数据输入3D软件中即可完整地还原出物体的3D模型。(3)用建模软件建模目前，市场上有很多3D建模软件如SolidWorks、Pro/ENGINEERUG等软件都可以用来进行3D建模，另外一些3D打印机厂商也提供3D建模软。3.1熔融沉积制造技术成型工艺过程32.切片处理切片处理是根据STL文件判断成型过程所需的支撑，由计算机设计出支撑结构，对STI文件进行分层切片，设置合适的打印参数，如打印层厚、打印速度、打印温度、填充类型等.按照各层截面形状进行堆积制造，逐层累加而成。为打印出合格的模型，必须对STL格式二维模型进行切片。切片实际上就是把3D模型切成一片一片的，首先，设计好打印的路径(填充密度、角度、外壳等)，并将切片后的文件储存成G-Code格式(一种3D打印机能直接读取并使用的文件格式)。然后，通过3D打印机控制软件，把G-Code文件发送给打印机并控制3D打印机的参数，运行使其完成打印。G-Code的作用是和3D打印机通信。3.1熔融沉积制造技术成型工艺过程33.打印过程首先，启动3D打印机，通过数据线、SD卡等方式把STL格式的模型切片所得到的GCode文件传送给3D打印机，同时，装入3D打印材料，调试打印平台，设定打印参数，然后，打印机开始工作，材料会一层一层地打印出来，层与层之间通过特殊的胶水进行黏合，并按照横截面将图案固定住，最后一层一层叠加起来。4.完成打印将打印好的产品从机器里取出来。这时要采取相应的保护措施以避免对人身造成伤害例如，戴上手套来防止高温表面或者有毒的化学物质的伤害。3.1熔融沉积制造技术成型工艺过程35.后处理(1)去除支撑结构是FDM技术的必要后处理工艺，复杂模型一般采用双喷头打印，其中一个喷头挤出的材料就是支撑材料，FDM技术的支撑材料有较好的水溶性，也可以在超声波清洗机中用碱性(NaOH溶液)温水浸泡后将其溶解剥落。一般情况下，水温越高，支撑材料溶解得越快，但超过70C时成型件容易受热变形，因此，采用超声波清洗机去除支撑结构时，需要将溶液温度控制在40~60C之间。(2)打磨处理主要是去除成型件的“台阶效应”，以满足表面光洁度和装配尺寸的精度要求，可采用水砂纸直接手工打磨的方法，但由于成型材料ABS较硬，会花费较长时间。(3)抛光的方法有物理抛光和化学抛光。通常使用的是砂纸打磨、珠光处理和蒸汽平滑这三种技术。3.1熔融沉积制造技术成型质量的因素分析41.材料性能的影响凝固过程中，由材料的收缩而产生的应力变形会影响。成型件精度，其主要的原因是热收缩和分子取向的收缩。可采取的措施：①改进材料的配方。②设计时考虑收缩量进行尺寸补偿。2.喷头温度和成型室温度的影响喷头温度决定了材料的黏结性能、堆积性能、丝材流量及挤出丝宽度。成型室的温度会影响成型件的热应力大小。可采取的措施：①喷头温度应根据丝材的性质在一定范围内选择，以保证挤出的丝呈熔融流动状态。②一般将成型室的温度设定为比挤出丝的熔点温度低1~2C。3.1熔融沉积制造技术成型质量的因素分析43.填充速度与挤出速度的交互影响单位时间内挤出丝体积与挤出速度成正比，当填充速度一定时，随着挤出速度的提高,挤出丝的截面宽度逐渐增加，当挤出速度提高到一定值时，挤出的丝黏附于喷嘴外圆锥面就不能正常加工。若填充速度比挤出速度快，则材料填充不足，出现断丝现象，难以成型。可采取的措施：挤出速度应与填充速度相匹配。4.分层厚度的影响一般来说，分层厚度越小，实体表面产生的台阶越小，表面质量也越高，但所需的分层处理和成型时间会变长，降低了加工效率，反之，分层厚度越大，实体表面产生的台阶也就越大，表面质量越差，不过加工效率相对较高。可采取的措施：兼顾效率和精度确定分层厚度，必要时可通过打磨提高表面质量与精度。3.1熔融沉积制造技术成型质量的因素分析45.成型时间的影响每层的成型时间与填充速度、该层的面积大小及形状的复杂度有关。若层的面积小，形状简单，填充速度快，则该层成型的时间就短;反之，时间就长。可采取的措施:加工时控制好喷嘴的工作温度和每层的成型时间，以获得精度较高的成型件。6.扫描方式的影响FDM扫描方式有平行扫描、螺旋扫描、偏置扫描及回转扫描等。螺旋扫描是指扫描路径从制件的几何中心向外一次扩展，偏置扫描是指按轮廓形状逐层向内偏置进行扫描回转扫描是指按了、Y轴方向扫描、回转。合适的扫描方式可降低原型内应力的积累，有效防止零件的翘曲变形可采取的措施:可采用复合扫描方式，即外部轮廓用偏置扫描，而内部区域填充用回转扫描，这样既可以提高表面精度，也可以简化扫描过程，提高扫描效率。3.1熔融沉积制造技术成型质量的因素分析45.成型时间的影响每层的成型时间与填充速度、该层的面积大小及形状的复杂度有关。若层的面积小，形状简单，填充速度快，则该层成型的时间就短;反之，时间就长。可采取的措施:加工时控制好喷嘴的工作温度和每层的成型时间，以获得精度较高的成型件。6.扫描方式的影响FDM扫描方式有平行扫描、螺旋扫描、偏置扫描及回转扫描等。螺旋扫描是指扫描路径从制件的几何中心向外一次扩展，偏置扫描是指按轮廓形状逐层向内偏置进行扫描回转扫描是指按了、Y轴方向扫描、回转。合适的扫描方式可降低原型内应力的积累，有效防止零件的翘曲变形可采取的措施:可采用复合扫描方式，即外部轮廓用偏置扫描，而内部区域填充用回转扫描，这样既可以提高表面精度，也可以简化扫描过程，提高扫描效率。02碳纤维复合材料3D打印PARTTWO目前，只有热塑性线材被用作FDM的原料，包括丙烯睛-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)聚碳酸酷(PC)、聚乳酸(PLA、尼龙(PA)，或者是其中任意两种的混合物。经由FDM制造的纯的热塑性塑料存在强度不足、功能不全及承载能力弱的缺点，这严重限制了熔融沉积制造技术的广泛应用。一种有效的方法就是添加增强材料(如碳纤维)于热塑性材料中，形成碳纤维增强复合材料(CFRP)。碳纤维增强复合材料中的碳纤维能用来支持负载，同时，热塑性塑料基质可以用于结合、保护纤维并转移负载到增强纤维上。塑料材料作为3D打印最为成熟的材料，目前仍存在较多问题，受塑料强度的影响，塑料材料适应领域有限，成品的物理机械特性较差、需要高温加工、低温流动性差、固化速率低、易变形、精密度低。这些问题都限制了塑料在新材料领域的发展。3.2碳纤维复合材料3D打印1基本原理及特点3.2碳纤维复合材料3D打印1成型工艺1.短切碳纤维打印法短切碳纤维基本上是标准热塑性塑料的增强材料。短切碳纤维打印法允许以更高的强度打印性能较弱的材料。可以将该材料与热塑性塑料混合，并将所得混合物挤压成用于熔融长丝制造(FFF)技术的线轴。短切碳纤维打印法是将短切纤维(通常是碳纤维)与尼龙、ABS或PLA等传统热塑性塑料混合，通过FDM的方式打印碳纤维需要将碳纤维与热熔塑料一起打印。3.2碳纤维复合材料3D打印1成型工艺2.连续碳纤维打印法连续碳纤维打印法的优势是可以用3D打印复合材料部件替代传统的金属部件，它可以使用连续长丝制造(CFF)技术把材料镶嵌在热塑性塑料中。.材料特点：长纤增强PLA、尼龙、PEEK等丝材。工艺特点：通过FDM技术将长纤维填充进常规丝材中，起到增强作用。增强方法:同心和各向同性。①同心填充加强了每层(内部和外部)的外边界，并通过用户定义的循环数延伸到零件中。②各向同性填充在每层上形成单向复合增强，并且可以通过改变层上的加固方向来模拟碳纤维编织。连续碳纤维3D打印设备原理如图3-2所示。03螺杆挤出3D打印技术PARTTHREE该喷头结构的核心技术为微型螺杆的设计，传统螺杆的尺寸较大，设计时采用无限平板理论，而微型螺杆的设计主要采用有限槽宽理论，更接近于真实的边界调节情况，更能反映熔体挤出的真实情况。为解决传统喷头结构带来的问题以扩展FDM技术的应用范围与应用价值，研究者提出一种颗粒体进料的微型螺旋挤压堆积喷头结构，利用微型挤压螺杆通过实时送料装置将颗粒料从料斗送进，靠螺杆的螺旋挤压作用将成型材料向喷嘴方向输送，材料前进过程中，被螺杆挤出，实现材料的堆积成型。3.3螺杆挤出3D打印技术基本原理1打印机控制系统作为打印机的重要组成部分，主要包括上位机、下位机、挤出控制模块.运动控制模块及手动控制模块。(1)上位机由计算机构成，需要完成成型零件模型的建立、模型的处理、切片代码生成及人机交互等操作，上位机能够生成切片代码，通过USB线或者SD卡将代码传输给下位机，以实时控制打印机的运行。(2)下位机由拓展板和主控板连接，拓展板通过插针无缝插在对应的主板上的孔中，其他硬件通过接口与主控板相连，这样能够更好地保护主控板。进行打印时，需要上传打印机固件，用上传工具配置打印机固件相关参数，通过USB线将打印机固件上传至主控板。3.3螺杆挤出3D打印技术成型设备2(3)挤出控制模块包含步进电机控制、温度控制及风扇控制。在基于颗粒体材料成型的打印机中，步进电机通过控制螺杆的转速，实现对材料的挤出控制。温度控制是通过加热棒与热敏电阻结合(加热棒接入主控板24V接线端，热敏电阻用于对温度稳定的控制)实现对出丝材料熔融挤出的。风扇用于冷却挤出机加热部件的温度，以防倒流。(4)运动控制模块主