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1、快速成型技术及应用快速成型技术及应用张汪年张汪年1第二章 熔融沉积快速成型熔融沉积快速成型丝状材料选择性熔覆丝状材料选择性熔覆 2概述 v 丝状材料选择性熔覆Fused Deposition Manufacturing，简称FDM，又称熔融沉积造型。v 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。v 研究FDM的主要有Stratasys公司和Med Modeler 公司。此外，清华大学推出了MEM机型。 3快速成型原理v叠加法：叠加法：4FDM成形的根本原理 v FDM工作原
2、理类似于工作原理类似于标花蛋糕的制作。标花蛋糕的制作。v1.丝状热塑性材料材料丝状热塑性材料材料由供丝机构送进喷头，由供丝机构送进喷头，在喷头中加热到熔融态。在喷头中加热到熔融态。5FDM成形的根本原理v2.熔融态的丝状材料被熔融态的丝状材料被挤压出来，按照计算机挤压出来，按照计算机给出的截面轮廓信息，给出的截面轮廓信息，随加热喷头的运动，选随加热喷头的运动，选择性地涂覆在工作台的择性地涂覆在工作台的制件基座上，并快速冷制件基座上，并快速冷却固化。却固化。6FDM成形的根本原理v3.一层完成后喷头上升一层完成后喷头上升一个层高，再进行下一一个层高，再进行下一层的涂覆，如此循环，层的涂覆，如此循
3、环，最终形成三维产品。最终形成三维产品。7FDM快速成形的系统组成v1.硬件系统硬件系统 硬件系统由机械系统和控制系统组成。硬件系统由机械系统和控制系统组成。v2.软件系统软件系统 软件系统由几何建模和信息处理组成。软件系统由几何建模和信息处理组成。v3.供料系统供料系统8硬件系统v1机械系统机械系统v 机械系统由运动、喷头、成形室、材料室、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，各个单元相等单元组成，多采用模块化设计，各个单元相互独立。互独立。v 运动单元只完成扫描和喷头的升降动作，且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。运动单
4、元的精度决定了整机的运动精度。v 加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件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，作的截面轮廓信息，作X-Y平面运动和高度平面运动和高度Z方向方向的运动。的运动。v 成形室用来把丝状材料加热到熔融态，材料成形室用来把丝状材料加热到熔融态，材料室用来储存室用来储存FDM用的材料。用的材料。9硬件系统v2控制系统控制系统 v 由控制柜与电源柜组成，用来控制喷头的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。运动以及成形室的温度。10软件系统v软件系统由几何建模和信息处理组成。软件系统由几何建模和信息处理组成。v1几何建模单元是设计人员借助三维
5、软件，几何建模单元是设计人员借助三维软件，如如Pro/E，UG等，来完成实体模型的构造，等，来完成实体模型的构造，并以并以STL格式输出模型的几何信息。格式输出模型的几何信息。v2信息处理单元主要完成信息处理单元主要完成STL文件处理、文件处理、截面层文件生成、填充计算，数控代码生成截面层文件生成、填充计算，数控代码生成和对成形系统的控制。和对成形系统的控制。11软件系统v 如果根据如果根据STL文件判断出成形过程需要支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撑的话，先由计算机设计出支撑结构并生成支撑，然后对支撑，然后对STL格式文件分层切片，最后格式文件分层切片，最后根
6、据每一层的填充路径，将信息输给成形系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。统完成模型的成形。12供料系统v由马达驱动橡胶辊子，从而将丝料送入成形由马达驱动橡胶辊子，从而将丝料送入成形喷头。喷头。13FDM快速成形技术的支撑 v 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。14FDM快速成形技术的支撑vFDM技术提供两种类型的支撑：技术提供两种类
7、型的支撑：v1. WaterWorks(水溶性支撑水溶性支撑): 可以分解于碱性可以分解于碱性水溶剂的可溶解性支撑结构。水溶剂的可溶解性支撑结构。 v2.Break Away Support Structure (BASS) (易易剥离性支撑剥离性支撑): 水溶性支撑的前身，由手工将支撑水溶性支撑的前身，由手工将支撑从工件外表剥离以移除。从工件外表剥离以移除。v 水溶性支撑因为可以不用考虑机械式的移除，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。所以可以接近于细小的特征，因而用的更广泛。15快速成形制件可能出现的缺陷v快速成形制件出现的缺陷分为外表缺陷和内
8、快速成形制件出现的缺陷分为外表缺陷和内部缺陷。部缺陷。 16快速成形制件可能出现的外表缺陷 v前处理和阶梯状外表形成的缺陷前处理和阶梯状外表形成的缺陷v2.顶部缺陷顶部缺陷v 由于喷嘴喷出的材料路径具有圆形的顶面，由于喷嘴喷出的材料路径具有圆形的顶面，当最后一层顶面沉积后就形成屋脊形的外表，当最后一层顶面沉积后就形成屋脊形的外表，这样的屋脊形外表需要光滑处理。这样的屋脊形外表需要光滑处理。 17快速成形制件可能出现的外表缺陷v3.喷头起喷头起/停误差造成的缺陷停误差造成的缺陷v 由于切片后的轮廓每一层都有许多封闭的边由于切片后的轮廓每一层都有许多封闭的边界，每一个封闭的几何边界都存在起界，每一
9、个封闭的几何边界都存在起/停点，喷头停点，喷头的移动速度和丝材的进给速率必须在喷头的起停的移动速度和丝材的进给速率必须在喷头的起停点协调一致，否那么就会造成材料的过剩和缺乏。点协调一致，否那么就会造成材料的过剩和缺乏。v 正确的选项是：在喷头还未到达终点时，丝正确的选项是：在喷头还未到达终点时，丝材进给运动就停止，在背压的作用下，喷头仍在材进给运动就停止，在背压的作用下，喷头仍在喷料，直至喷头到达终点。喷料，直至喷头到达终点。v 18快速成形制件可能出现的外表缺陷v关键：喷头在距离终点多远时，丝材停止进关键：喷头在距离终点多远时，丝材停止进给运动？给运动？v 停止太迟，有太多的丝材进入喷头，喷
10、停止太迟，有太多的丝材进入喷头，喷头到达终点时，还有材料喷出，造成多余的头到达终点时，还有材料喷出，造成多余的材料溢出和粗糙的外表。材料溢出和粗糙的外表。v 停止过早，造成材料的供给缺乏。停止过早，造成材料的供给缺乏。19快速成形制件可能出现的外表缺陷v4.撤除支撑时造成的缺陷撤除支撑时造成的缺陷v 主要指在去除易剥离性支撑主要指在去除易剥离性支撑BASS时，会在制件外表留下一些毛刺和小凹坑。时，会在制件外表留下一些毛刺和小凹坑。 20快速成形制件可能出现的内部缺陷 v1.环形填充式的中线空洞和光栅填充式的半环形填充式的中线空洞和光栅填充式的半周界空洞周界空洞 21快速成形制件可能出现的内部缺
11、陷v 在采用圆环形填充方式来填充时，可以将在采用圆环形填充方式来填充时，可以将每一层截面划分成多个环形面，如果采用由每一层截面划分成多个环形面，如果采用由外向内填充，当所剩区域的宽度小于一个路外向内填充，当所剩区域的宽度小于一个路宽时，就认为环形面已经填充完毕，喷嘴将宽时，就认为环形面已经填充完毕，喷嘴将移动到其它为填充的环形面区域。所以，不移动到其它为填充的环形面区域。所以，不可能使设置的路宽正好将所填充的环形面全可能使设置的路宽正好将所填充的环形面全部填满，因而，在环形面的中心处常常留下部填满，因而，在环形面的中心处常常留下一个狭长的空洞。一个狭长的空洞。22快速成形制件可能出现的内部缺陷
12、v解决方法：改变环形填充的算法，要求有不解决方法：改变环形填充的算法，要求有不完整的填充环出现，也就是说允许宽度小于完整的填充环出现，也就是说允许宽度小于一个路宽时，继续填充。一个路宽时，继续填充。23快速成形制件可能出现的内部缺陷v 在采用光栅填充方式时，喷头在周界的转角处，存在一个急转弯的运动轨迹，就像骑自行车时，本来是沿着直道走，突然前边有个拐弯处，这时并没有刹车，所以在急转弯处会有很大的向心力，运动轨迹就是一条曲线，这样，在喷头的转弯处就会有缺乏的材料填充，形成半周界的空洞。24快速成形制件可能出现的内部缺陷v解决方法：在光栅与周界的转角处增加材料解决方法：在光栅与周界的转角处增加材料
13、的流动速率或者改变光栅在转角处的路径。的流动速率或者改变光栅在转角处的路径。25快速成形制件可能出现的内部缺陷v2.路间缺陷路间缺陷v 两种形式：两种形式：v一是在相邻的两个路间没有物理接触，形成一是在相邻的两个路间没有物理接触，形成空洞缺陷，这个缺陷容易观察到；空洞缺陷，这个缺陷容易观察到；v二是在相邻的两个路间有物理接触，但黏结二是在相邻的两个路间有物理接触，但黏结的不牢，这种接触不容易发现，会影响制件的不牢，这种接触不容易发现，会影响制件的强度。的强度。26快速成形制件可能出现的内部缺陷v解决方法：解决方法：v1.控制相邻路间的黏结温度，使得接触的牢控制相邻路间的黏结温度，使得接触的牢固
14、固v2.控制材料的横向流动，填补空洞。控制材料的横向流动，填补空洞。27快速成形制件可能出现的内部缺陷v3.路径长度的影响路径长度的影响v 当沿着很长的路径沉积材料时，在沉积下当沿着很长的路径沉积材料时，在沉积下一道材料时，先沉积的材料温度下降的很大，一道材料时，先沉积的材料温度下降的很大，因此，相邻路径制件会黏结不牢。因此，相邻路径制件会黏结不牢。v 解决方法：选择适宜的路径长度。解决方法：选择适宜的路径长度。28快速成形制件可能出现的内部缺陷v4.不一致的丝径不一致的丝径v 材料在供给的过程中直径不是完全不变的，材料在供给的过程中直径不是完全不变的，当丝径有变化时，就会造成沉积材料的过剩当
15、丝径有变化时，就会造成沉积材料的过剩或者缺乏。或者缺乏。v 解决方法：控制成形室的温度，使其均匀解决方法：控制成形室的温度，使其均匀一直。一直。29快速成形制件可能出现的内部缺陷v5.丝材截面配置形式引起的空洞缺陷丝材截面配置形式引起的空洞缺陷 堆积出的三维模型的内部结构特性主要取决于快堆积出的三维模型的内部结构特性主要取决于快速制件空隙区域或丝料黏结的横截面环形区域的密速制件空隙区域或丝料黏结的横截面环形区域的密度。度。 对这两者影响最大的因素有：丝料挤出温度对这两者影响最大的因素有：丝料挤出温度TE、环境温度环境温度Tc、丝料与丝料间的空隙、丝料的流速和、丝料与丝料间的空隙、丝料的流速和截
16、面配置方式。截面配置方式。 前四个因素在成形过程中一般是不变的，改变的前四个因素在成形过程中一般是不变的，改变的只有截面配置方式。只有截面配置方式。30快速成形制件可能出现的内部缺陷v 截面配置方式分为对齐配置机构和非对齐截面配置方式分为对齐配置机构和非对齐配置机构配置机构。31配置机构v对齐配置机构：是许多快速成形机采用的标准结构配置。v非对齐配置机构v如果丝料的截面形状由圆形变成椭圆形后，就有可能在层增加时，造成空洞缺陷。32FDM成形工艺用材料 v FDM成形工艺所用材料为热塑性材料且为成形工艺所用材料为热塑性材料且为高分子化合物，其材料主要是：高分子化合物，其材料主要是：vABS塑料；
17、塑料；v浇铸用蜡；浇铸用蜡；v人造橡胶；人造橡胶；v聚脂热塑性塑料；聚脂热塑性塑料；33 FDM快速原型技术的优缺点 v一一.FDM快速原型技术的优点快速原型技术的优点 v1.操作环境干净、平安可在办公室环境下进操作环境干净、平安可在办公室环境下进行。没有毒气或化学物质的危险，不使用行。没有毒气或化学物质的危险，不使用激光激光v2.工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。v3.尺寸精度较高，外表质量较好，易于装配。尺寸精度较高，外表质量较好，易于装配。可快速构建瓶状或中空零件。可快速构建瓶状或中空零件。 34FDM快速原型技术的优点v4.原材料以卷轴丝的形式
18、提供，易于搬运和原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。运行费用低快速更换。运行费用低v5.原材料费用低，一般零件均低于原材料费用低，一般零件均低于20美元。美元。 (价格廉价价格廉价)v6.材料利用率高。材料利用率高。v7.可选用多种材料，如可染色的可选用多种材料，如可染色的ABS和医用和医用ABS、PC、PPSF、浇铸用蜡和人造橡胶。、浇铸用蜡和人造橡胶。 35FDM快速原型技术的缺点 v1.精度较低，难以构建结构复杂的零件。做精度较低，难以构建结构复杂的零件。做小件或精细件时精度不如小件或精细件时精度不如SLA，最高精度。，最高精度。2.与截面垂直的方向强度小。与截面垂直的方向强度
19、小。 3.成形速度相对较慢，不适合构建大型零件。成形速度相对较慢，不适合构建大型零件。 36 FDM成形工艺的用途 v FDM成形工艺干净，易于操作，不产生垃圾，小型系统可用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险，比较适合于家用电器、办公用品以及模具行业新产品开发，以及用于假肢、医学、医疗、大地测量、考古等基于数字成像技术的三维实体模型制造。37RP技术的现状v RP技术经过十几年的开展，设备与材料两方面都有了长足进步。v 目前由于该技术的本钱较高，加以制件的精度、强度和耐久性还不能完全满足用户的要求，暂时阻碍了RP技术的推广普及。38RP技术的现状v此外，近年来此外，近年来CNC切削机床亦
20、在大步向前开切削机床亦在大步向前开展，一方面价格大幅度下调，另一方面高速展，一方面价格大幅度下调，另一方面高速高精度的高精度的CNC机床问世，制件时间缩短，精机床问世，制件时间缩短，精度及外表质量提高，因此，不少企业使用度及外表质量提高，因此，不少企业使用CNC切削机床快速制造金属或非金属模具及切削机床快速制造金属或非金属模具及零件技术提出了新的挑战。零件技术提出了新的挑战。39RP技术的现状v 但是，在成形复杂中空的零件方面，CNC切削机床是不能取代RP技术的，这种直接从概念设计迅速转为产品设计的生产模式，必然是21世纪中制造技术的主流。v 随着科技的进步，RP技术还会大踏步地向前开展，并将
21、成为许多设计公司、制造公司、研究机构和教育机构等采用的根本技术。40RP技术的开展趋势v从上述从上述RP技术的现状来看，未来几年的主要技术的现状来看，未来几年的主要开展趋势如下：开展趋势如下：v1.提高提高RP系统的速度、控制精度和可靠性，系统的速度、控制精度和可靠性，优化设备结构；优化设备结构；v2.提高数据处理速度和精度。提高数据处理速度和精度。v3.研究开发本钱低、易成形、变形小、强度研究开发本钱低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成型材料。高、耐久及无污染的成型材料。41RP技术的开展趋势v4.开发新的成型能源；开发新的成型能源；v5.研究开发新的成型方法；研究开发新的成型方法；v6.继续研究快速模具制造技术；继续研究快速模具制造技术；v7.扩大应用范围。扩大应用范围。42快速成型技术及应用快速成型技术及应用张汪年张汪年43
