3D打印FDM快速成型原理.doc

1、 3D 打印 FDM 快速成型原理3D 打印店 http:/ 2013-01-06目录发展过程工艺原理工艺过程特点结束语发 展 过 程快 速 成 型 技 术 (Rapid Prototyping) 是 20 世 纪 80 年 代 中 后 期 发 展 起 来 的 一 项 新型 的 造 型 技 术 。 RP 技 术 是 将 计 算 机 辅 助 设 计 (CAD) 、 计 算 机 辅 助 制 造 (CAM) 、 计算 机 数 控 技 术 (CNC) 、 材 料 学 和 激 光 结 合 起 来 的 综 合 性 造 型 技 术 。 RP 经 过 十 多 年的 发 展 ， 已 经 形 成 了 几 种 比

2、较 成 熟 的 快 速 成 型 工 艺 :光 固 化 立 体 造 型 ( SL Stereolithography) 、 分 层 物 体 制 造 (LOM Laminated Object Manufacturing) 、选 择 性 激 光 烧 结 (SLS Selected Laser Sintering) 和 熔 融 沉 积 造 型 ( FDM Fused Deposition Modeling)等 。 这 四 种 典 型 的 快 速 成 型 工 艺 的 基 本 原 理 都 是 一 样 的 ， 但 各 种方 法 各 有 其 特 点 。 本 文 主 要 介 绍 FDM 工 艺 的 原 理 及

3、 其 过 程 。 工 艺 原 理1.1 快 速 成 型 技 术 的 基 本 原 理 快 速 成 型 技 术 是 对 零 件 的 三 维 CAD 实 体 模型 ， 按 照 一 定 的 厚 度 进 行 分 层 切 片 处 理 ， 生 成 二 维 的 截 面 信 息 ， 然 后 根 据 每 一 层 的 截 面信 息 ， 利 用 不 同 的 方 法 生 成 截 面 的 形 状 。 这 一 过 程 反 复 进 行 ， 各 截 面 层 层 叠 加 ， 最 终 形成 三 维 实 体 。 分 层 的 厚 度 可 以 相 等 ， 也 可 以 不 等 。 分 层 越 薄 ， 生 成 的 零 件 精 度 越 高 ，

4、 采用 不 等 厚 度 分 层 的 目 的 在 于 加 快 成 型 速 度 1 。 1.2 南 宁 临 界 四 维 FDM 快 速成 型 机 的 工 艺 原 理 如 图 1 所 示 。 快 速 成 型 机 的 加 热 喷 头 受 计 算 机 控 制 ， 根 据 水平 分 层 数 据 作 x - y 平 面 运 动 。 丝 材 由 送 丝 机 构 送 至 喷 头 ， 经 过 加 热 、 熔 化 ， 从 喷 头 挤出 粘 结 到 工 作 台 面 ， 然 后 快 速 冷 却 并 凝 固 。 每 一 层 截 面 完 成 后 ， 工 作 台 下 降 一 层 的 高 度 ，再 继 续 进 行 下 一 层

5、的 造 型 。 如 此 重 复 ， 直 至 完 成 整 个 实 体 的 造 型 。 每 层 的 厚 度 根 据 喷 头挤 丝 的 直 径 大 小 确 定 。 图 1 FDM 工 艺 原 理 图 FDM 工 艺 关 键 是 保 持 熔 融 的 成 型 材 料 刚 好 在 凝 固 点 之 上 ， 通 常 控 制 在 比 凝 固 点 高 1 左 右 2 。 目 前 ， 最 常 用 的 熔 丝 线 材 主 要 是 ABS、 人 造 橡 胶 、 铸 蜡 和 聚 酯 热 塑 性 塑料 等 。 1998 年 澳 大 利 亚 开 发 出 了 一 种 新 型 的 金 属 材 料 用 于 FDM 工 艺 塑 料

6、复合 材 料 丝 。 工 艺 过 程FDM 快 速 成 型 的 过 程 包 括 :设 计 三 维 CAD 模 型 、 CAD 模 型 的 近 似 处 理 、 对STL 文 件 进 行 分 层 处 理 、 造 型 、 后 处 理 。 如 图 2 所 示 。 图 2 快 速 成 型 的 过 程 2.1 设 计 三 维 CAD 模 型 设 计 人 员 根 据 产 品 的 要 求 ， 利 用 计 算 机 辅 助 设 计 软 件 设计 出 三 维 CAD 模 型 。 常 用 的 设 计 软 件 有 : Pro/ Engineering ， Solidworks ， MDT ， AutoCAD ， U G

7、 等 。 2.2 三 维 CAD 模 型 的 近 似 处 理 产 品 上 有许 多 不 规 则 的 曲 面 ， 在 加 工 前 必 须 对 模 型 的 这 些 曲 面 进 行 近 似 处 理 。 目 前 最 普 遍 的 方 法是 采 用 美 国 3D System 公 司 开 发 的 STL(Sterolithgraphy) 文 件 格 式 。 用 一 系 列 相 连的 小 三 角 平 面 来 逼 近 曲 面 ， 得 到 STL 格 式 的 三 维 近 似 模 型 文 件 。 许 多 常 用 的 CAD 设 计 软 件 都 具 有 这 项 功 能 ， 如 Pro/ Engineering ，

8、Solidworks ， MDT ， Auto2 CAD ， U G 等 。 2.3 对 STL 文 件 进 行 分 层 处 理 由 于 快 速 成 型 是 将 模 型 按 照 一层 层 截 面 加 工 ， 累 加 而 成 的 。 所 以 必 须 将 STL 格 式 的 三 维 CAD 模 型 转 化 为 快 速 成型 制 造 系 统 可 接 受 的 层 片 模 型 。 片 层 的 厚 度 范 围 通 常 在 01025 01762mm 之 间 。 各种 快 速 成 型 系 统 都 带 有 分 层 处 理 软 件 ， 能 自 动 获 取 模 型 的 截 面 信 息 。 2.4 造 型 产 品

9、的 造 型 包 括 两 个 方 面 :支 撑 制 作 和 实 体 制 作 。 2.4.1 支 撑 制作 由 于 FDM 的 工 艺 特 点 ， 系 统 必 须 对 产 品 三 维 CAD 模 型 做 支 撑 处 理 ， 否 则 ，在 分 层 制 造 过 程 中 ， 当 上 层 截 面 大 于 下 层 截 面 时 ， 上 层 截 面 的 多 出 部 分 将 会 出 现 悬 浮(或 悬 空 ) ， 从 而 使 截 面 部 分 发 生 塌 陷 或 变 形 ， 影 响 零 件 原 型 的 成 型 精 度 ， 甚 至 使 产 品原 型 不 能 成 型 。 支 撑 还 有 一 个 重 要 的 目 的 :建

10、 立 基 础 层 。 在 工 作 平 台 和 原 型 的 底 层 之 间建 立 缓 冲 层 ， 使 原 型 制 作 完 成 后 便 于 剥 离 工 作 平 台 。 此 外 ， 基 础 支 撑 还 可 以 给 制 造 过 程提 供 一 个 基 准 面 1 。 所 以 FDM 造 型 的 关 键 一 步 是 制 作 支 撑 。 2.4.2 实 体 制作 在 支 撑 的 基 础 上 进 行 实 体 的 造 型 ， 自 下 而 上 层 层 叠 加 形 成 三 维 实 体 ， 这 样 可 以保 证 实 体 造 型 的 精 度 和 品 质 。 2.5 后 处 理 快 速 成 型 的 后 处 理 主 要 是

11、 对 原 型进 行 表 面 处 理 。 去 除 实 体 的 支 撑 部 分 ， 对 部 分 实 体 表 面 进 行 处 理 ， 使 原 型 精 度 、 表 面 粗糙 度 等 达 到 要 求 。 但 是 ， 原 型 的 部 分 复 杂 和 细 微 结 构 的 支 撑 很 难 去 除 ， 在 处 理 过 程 中 会出 现 损 坏 原 型 表 面 的 情 况 ， 从 而 影 响 原 型 的 表 面 品 质 。 于 是 ， 1999 年 St ratasys 公 司 开 发 出 水 溶 性 支 撑 材 料 ， 有 效 的 解 决 了 这 个 难 题 。 目 前 ， 我 国 自 行 研 发 FDM 工

12、艺 还 无 法 做 到 这 一 点 ， 原 型 的 后 处 理 仍 然 是 一 个 较 为 复 杂 的 过 程 。 特 点311 系 统 与 运 行 成 本 FDM 快 速 成 型 系 统 成 本 较 低 ， 不 需 要 其 他 快 速 成 型 系统 中 昂 贵 的 激 光 器 ;成 型 材 料 价 格 较 低 ;FDM 原 型 特 别 适 合 有 空 隙 的 结 构 ， 可 节 约 材 料与 成 型 时 间 ;体 积 小 ， 无 污 染 ， 是 办 公 室 环 境 的 理 想 桌 面 制 造 系 统 。 但 是 ， 成 型 速 度较 慢 ， 精 度 较 低 。 312 适 用 范 围 适 用

13、 于 薄 壳 体 零 件 及 微 小 零 件 ;原 型 强 度比 较 好 ， 近 似 于 实 体 零 件 ， 可 作 为 概 念 型 直 接 验 证 设 计 。 结 束 语由 于 FDM 工 艺 的 特 点 ， FDM 已 经 广 泛 地 应 用 于 制 造 行 业 。 它 降 低 了 产 品 的 生产 成 本 ， 缩 短 了 生 产 周 期 ， 大 大 地 提 高 了 生 产 效 率 ， 给 企 业 带 来 了 较 大 的 经 济 效 益 。 当前 快 速 成 型 技 术 的 发 展 趋 势 是 将 快 速 成 型 与 其 他 先 进 的 设 计 与 制 造 技 术 密 切 结 合 起 来 ，共 同 发 展 。