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FDM快速成型工艺

时间: 2011-07-16 03:54 来源: 作者: 点击:

由美国Stratasys公司推出的FDM设备是由Scott Crump于1988年最早开发出来快速成型技术。 材料包括聚酯、ABS、人造橡胶、熔模铸造用蜡和聚脂热塑性塑料等。

   熔融沉积成型的工作原理是将热熔性材料(ABS、蜡)通过加热器熔化,材料先抽成丝状,通过送丝机构送进热熔喷头,在喷头内被加热融化,喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤出并沉积在指定的位置凝固成形,并与周围的材料粘结,层层堆积成型。

   熔融挤压成形工艺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。该技术无需激光系统,因而价格低廉,运行费用很低且可靠性高。  

   目前在汽车、家电、电动工具、医疗、机械加工、精密铸造、航天航空、工艺品制作以及儿童玩具等行业,已经在以下几个方面起到重要作用:

   1) 产品样本、设计评审、性能测试及装配实验。用户根据快速制造的成型对设计方案进行评审,进行模拟性能测试和模拟装配试验,然后评估生产的可能性,最后将改进信息提供给设计人员,以便以后的修改和优化。

   2) 将FDM技术和传统的模具制造技术结合在一起,快速模具制造技术可以缩短模具的开发周期,提高生产效率。

   3) 在生物医学领域,根据扫描得到的人体分层截面数据,制造出人体局部组织或器官的模型,可以用于临床医学辅助诊断复杂手术方案的确定,即制造解剖学体外模型(体外模型);也可以制造组织工程细胞载体支架结构(人体器官),即作为生物制造工程中的一项关键技术。

   4) 在微型机械方面,采用某些工艺加工方法,如光固化法方法,快速成型制造技术可以用于微型机械的制造和装配。

   5) 在其他领域,如快速成型技术还可以用于复制文物,制作工艺品的设计原型,展览模型等。

   FDM成型特点:

   1)标准的工程热塑性塑料。如ABS可以用来生成带有结构功能的模型。
   2)可以使用两种材料,可选栅格结构充当填空。
   3)加热后的热塑性塑料细丝像挤牙膏一样从喷嘴中挤出。
   4)热塑性塑料到达较低温度的工作环境平面后迅速冷却固化。
   5)近年来发展迅速,广受用户青睐。
   FDM的优、缺点及应用范围:

   优点:

   1、 制造系统可用于办公环境,没有毒气或化学物质的危险。
   2、 工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。
   3、 可快速构建瓶状或中空零件。
   4、 原材料以卷轴丝的形式提供,易于搬运和快速更换。
   5、 原材料费用低,一般零件均低于20美元。
   6、 可选用多种材料,如可染色的ABS和医用ABS、PC、PPSF等。

   缺点:

   1、  精度相对国外SLA工艺较低,最高精度0.127mm。
   2、  速度较慢。

   适用范围:这种工艺方法适合于产品设计的概念建模以及产品的功能测试。由于甲基丙烯酸ABS(MOBS)材料具有很好的化学稳定性,可采用伽玛射线消毒,特别适用于医用。但成形精度相对较低,不适合于制作结构过分复杂的零件。

   在产品设计评估与校审方面

   FDM技术可以将CAD的设计构想快速、精确、而又经济地生成可触摸的物理实体,比将三维的几何造型展示于二维的屏幕或图纸上具有更高的直观性和启示性。设计人员可以更快,更易地发现设计中的错误。更重要的是,对成品而言,设计人员可及时体验其新设计产品的使用舒适性和美学品质。FDM生成的模型也是设计部门与非技术部门交流的更好中介物。

   适用于三维打印

   1) 不使用激光,维护简单,成本低:价格是成型工艺是否适于三维打印的一个重要因素。多用于概念设计的三维打印机对原型精度和物理化学特性要求不高,便宜的价格是其能否推广开来的决定性因素。

   2) 塑材丝材清洁,更换容易:与其他使用粉末和液态材料的工艺相比,丝材更加清洁,易于更换、保存,不会在设备中或附近形成粉末或液态污染。

   3) 后处理简单:仅需要几分钟到一刻钟的时间,剥离支撑后原型即可使用。而现在应用较多的SL、SLS、3DP等工艺均存在清理残余液体和粉末的步骤,并且需要进行后固化处理,需要额外的辅助设备。这些额外的后处理工序一是容易造成粉末或液体污染,二是增加了几个小时的时间,不能在成型完成后立刻使用。

   4) 成型速度快:一般来讲,FDM工艺相对于SL、SLS、3DP工艺来说速度是慢的,但,针对三维打印应用,其也有一定的优势。首先,SL、SLS、3DP都有层间过程(铺粉/液,挂平),因而它们一次成型多个原型是速度很快,例如:3DP可以做到一小时成型25mm左右高度的成型。三维打印机成型空间小,一次多成型1至2个原型,相对来讲,他们的速度优点就不堪明显了。其次,三维打印机对原型强度要求不高。所以FDM工艺可以通过减小原型密实程度的方法提高成型速度。通过我们的实验,具有某些结构特点的模型,最高成型速度已经达到60立方厘米/小时,通过软件优化及技术进步,我们预计可以达到2000立方厘米/小时的高度。

   快速塑料零件制造

   材料性能一直是FDM工艺的主要优点,其ABS原型强度可以达到注塑零件的三分之一。今年来又发展出PC,PC/ABS,PPSF等材料,强度已经接近或超过普通注塑零件,可在某些特定场合(试用,维修,暂时替换等)下直接使用。虽然直接金属零件成型(近年来许多研究机构和公司都在进行这方面的研究,是当今快速原型领域的一个研究热点)的材料性能更好,但在塑料零件领域,FDM工艺是一种非常适宜的快速制造方式。随着材料性能和工艺水平的进一步提高,我们相信,会有更多的FDM原型在各种场合直接使用。

   熔融挤出成型(FDM)--高性能的快速成型工艺

   1)  熔融挤出成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性材料,如蜡、ABS、PC、尼龙等,以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的材料挤出,材料迅速固化,并与周围的材料粘结。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”,对后续层提供定位和支撑,以保证成形过程的顺利实现。

   2)  这种工艺不用激光,使用、维护简单,成本较低。用蜡成形的零件原型,可以直接用于失蜡铸造。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC,PC/ABS,PPSF等更高强度的成形材料,使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点,该工艺发展极为迅速,目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30%。

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