fdm技术在航空领域中的应用

fdm技术在航空领域中的应用

目前，快速制造（r）技术作为研究和开发企业的有力手段，已发展成为一家新兴的高科技制造技术企业。RP由CAD模型直接驱动,快速地制造出复杂的三维实体。立体光刻(StereolithographyApparatus,SLA)、叠层实体制造(LaminatedObjectManufacturing,LOM)、熔融沉积制造(FusedDepositionModeling,FDM)、选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering,SLS)等工艺方法是当前世界上最流行的RP技术。这项技术集计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料开发于一体,体现了多种学科、多种技术的综合应用,在技术上已趋于成熟。RP系统具有很高的柔性制造能力,单台设备就能迅速方便地制造出复杂零件,这是任何NC设备无法做到的。RP系统是唯一能将计算机中的设计构思一步转化为现实的有力工具。FDM系统与SLA,LOM,SLS等系统的最大区别在于FDM没有采用激光系统,从而把维护成本降到了最低水平。RP技术从产生到现在已有10多年历史,并正以35%的年增长率发展着。自90年代初3DSystems公司的SLA系列快速成型设备在销售数量上独占鳌头以来,SLA一直是RP领域最受青睐的对象,异军突起的FDM系列设备在最近几年终于打破僵局,1998年在全球系统销售中占到了的惊人份额北京航空工艺研究所现拥有一台多功能快速成型机,能完成LOM,FDM和SLS3种工艺,FDM制件精度可达±0.15mm。1熔喷非织造材料的fd成型FDM工艺由美国学者ScottCrump博士于1988年率先研制成功。随后,美国Stratasys公司推出了基于FDM技术的3DModeler1000,1100,1600三种商品化设备。现在Stratasys公司推介的产品有Genisys,FDM2000,FDM8000和FDMQuantum4种。FDM工艺的原理如图1所示。FDM工艺一般采用低熔点丝状材料,如蜡丝或ABS塑料丝,它们可不以高能量密度的激光为热源,只需在喷头内以电加热的方式即可将丝材加热到熔融状态。如果采用高熔点的材料,则会相当困难。FDM系统主要包括喷头、送丝机构、运动机构、加热工作室、工作台5个部分。喷头是最复杂的部分,材料在喷头中被加热熔化,喷头底部有一喷嘴供熔融的材料以一定的压力挤出,喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动时挤出材料,与前一层粘结并在空气中迅速固化,如此反复进行即可得到实体零件。它的工艺过程决定了它在制造悬臂件时需要添加支撑,这点与LOM和SLS完全不同。支撑可以用同一种材料建造,只需要一个喷头,现在一般都采用双喷头独立加热,一个用来喷模型材料制造零件,另一个用来喷支撑材料做支撑,两种材料的特性不同,制作完毕后去除支撑相当容易。送丝机构为喷头输送原料,送丝要求平稳可靠。原料丝一般直径为1～2mm,而喷嘴直径只有0.2～0.3mm左右,这个差别保证了喷头内一定的压力和熔融后的原料能以一定的速度(必须与喷头扫描速度相匹配)被挤出成型。送丝机构和喷头采用推-拉相结合的方式,以保证送丝稳定可靠,避免断丝或积瘤。运动机构包括X,Y,Z三个轴的运动。快速成型技术的原理是把任意复杂的三维零件转化为平面图形的堆积,因此不再要求机床进行三轴及三轴以上的联动,大大简化了机床的运动控制,只要能完成二轴联动就可以了。X-Y轴的联动扫描完成FDM工艺喷头对截面轮廓的平面扫描,Z轴则带动工作台实现高度方向的进给。加热工作室用来给成型过程提供一个恒温环境。熔融状态的丝挤出成型后如果骤然受到冷却,容易造成翘曲和开裂,适当的环境温度可最大限度地减小这种造型缺陷,提高成型质量和精度。工作台主要由台面和泡沫垫板组成,每完成一层成型,工作台便下降一层高度。2百业公司的fdatahs公司快速成型设备的销售量增长很快,1997年全世界已有1070台,1998年增加到了1520台(不包括服务中心的设备)。美国Stratasys公司生产的FDM系列设备目前已成为销售业绩最好的快速成型系统。图2是1997年全球各RP设备公司的销量份额图。从图2可以看出,Stratasys公司快速成型系统的销售量在1997年已经名列前茅。1998年该公司的FDM系列共销售270台,占总销量的43%,居世界第一。迄今,FDM快速成型设备在全世界的销量已经超过1000台,中国大陆和香港的拥有量已超过60台。Stratasys公司的4种RP系统规格如表1所示。最新推出的FDMQuan-tum成型机是一种大型的快速成型设备,它的主要特点是:·磁浮定位技术(MagnaDrive);·双独立加热喷头;·更快的成型速度;·更高的精度,更佳的表面质量;·成型尺寸大。MagnaDrive系统的采用是FDMQuantum成型机的一大创新。MagnaDrive系统利用磁浮技术原理,使X-Y轴移动时速度更快,更滑顺,定位更准确,而且能在同一时间独立控制两个独立的加热喷头,加快了建造速度。当然,FDMQuantum的价格是相当昂贵的,制造模型的总成本很高。北京航空工艺研究所的多功能快速成型机的FDM工艺也已成熟,系统的规格如表2所示。多功能成型机FDM工艺采用的ABS塑料丝有220℃和270℃两种,可满足不同的使用条件,由于采用的是国产原料,价格较低,而性能可靠,因此制造模型的总成本很低,非常适合模具行业实际应用以及新产品的造型设计、外观和功能验证,可以大大降低新产品的开发成本和开模风险,缩短开发周期。3fps技术在汽车设计制造中的应用快速模具制造(RapidTooling,RT)是快速成型技术的重要应用方向。RT可分为直接法和间接法两种。快速成型能容易地直接得到立体实物的特点使得一步成型模具的直接法更为现实,基于SLS工艺的RT技术已经可以一步到位地得到所设计的模具。间接法则利用快速成型系统制造出母模,再用传统方法通过一次或多次翻模来得到最终的模具。FDM在快速经济制模领域中可用间接法得到注塑模和铸造模。首先用FDM制造母模,然后浇注硅橡胶、环氧树脂、聚氨酯等材料或低熔点合金材料,固化后取出母模即可得到软性的注塑模或低熔点合金铸造模。这种模具的寿命通常只有数件至数百件。如果利用母模或这种模具浇注(涂覆)石膏、陶瓷、金属构成硬模具,其寿命可达数千件。用铸造石蜡为原料,可直接得到用于熔模铸造的母模。日本丰田公司利用FDM技术在汽车设计制造中获得了巨大收益。Avalon汽车是丰田公司应用FDM工艺重新设计的第一个项目计划。由于是首次应用,计划用FDM制造的零件只有35种。FDM制造出的Avalon原型零件使设计者捕捉到了不少缺陷,例如通过对后视镜原型件的分析,发现如果采用原来的设计,零件与模具将很难分离,于是做了相应的改动,节省了后期更改所需的大量费用。Avalon汽车的左侧后视镜是用最终使用的材料制成的,用来做振动试验,右侧后视镜则用FDM完成,仅此一项就为丰田公司节省了20万美元。另外,FDM在4个Avalon门把手上省下的加工费用也超过了30万美元。图3是丰田技术中心应用FDM工艺制造的一些零件。FDM在快速模具制作中用途广泛。利用FDM制作出的快速原型来制造硅树脂模具是非常有效的,例如汽车电动窗和尾灯等的控制开关就可用这种方法制造,甚至可以通过打磨过的FDM母模制得透明的氨基甲酸乙酯材料的尾灯玻璃。它与实际生产的产品非常相似,用这种方法制作的零件与用铸造法或注塑法制作的零件没有什么差别。在整个新式2000Avalon汽车的改进设计制造中,FDM为这一计划节约的资金超过200万美元。Mizuno是世界上最大的综合性体育用品制造公司年月美国公司开发一套新的高尔夫球杆,这通常需要13个月的时间。FDM的应用大大缩短了这个过程,设计出的新高尔夫球头用FDM制作后,可以迅速地得到反馈意见并进行修改,大大加快了造型阶段的设计验证,一旦设计定型,FDM最后制造出的ABS原型就可以作为加工基准在CNC机床上进行钢制母模的加工。新的高尔夫球杆整个开发周期在7个月内就全部完成,缩短了40%的时间。现在,FDM快速成型技术已成为Mizuno美国公司在产品开发过程中起决定性作用的组成部分。FDM工艺是快速成型领域很有特色的工艺方法,与LOM和SLS工艺可并称为三大主流技术。快速成型是虚拟