第6 章 快速成型典型工艺—熔融挤压沉积快速成型工艺与设备1.ppt

概 述 丝状材料选择性熔覆（Fused Deposition Manufacturing，简称FDM），又称熔融沉积制造。 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或将材料加热熔化、挤压成丝，逐线、逐层沉积的成型方法。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6％。 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。 FDM成形的基本原理 FDM工作原理类似于标花蛋糕的制作。 1. 丝状热塑性材料或其它热塑性材料由供丝机构送进喷头，在喷头中加热到熔融态，或在压力容器加热，经喷嘴挤出。 2. 熔融态的丝状材料被挤压出来，按照计算机给出的截面轮廓信息，随喷头的运动，选择性地涂覆在工作台的制件基座上，并快速冷却固化。 3. 一层完成后喷头上升一个层高，再进行下一层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品。 FDM快速成形的系统组成 1. 硬件系统 硬件系统由机械系统（供料系统、喷头、运动系统、Z向升降系统）、加热系统和控制系统组成。 2. 软件系统 软件系统由几何建模和信息处理组成。 硬件系统 1、机械系统 机械系统由运动机构、喷头、供料系统等单元组成，多采用模块化设计，各个单元相互独立。 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。 供料系统完成材料的输送，输送速度应该和喷头扫描运动速度同步。 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X-Y平面运动和高度Z方向的运动。 硬件系统和软件系统 2、控制系统 由控制柜与电源柜组成，用来控制喷头的运动以及加热温度。 3、软件系统 软件系统由几何建模和信息处理组成。 （1）几何建模单元是设计人员借助三维软件，如Pro/E，UG等，来完成实体模型的构造，并以STL格式输出模型的几何信息。 （2）信息处理单元主要完成STL文件处理、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。 供料系统 料丝自加压喷头：电机驱动橡胶辊子，将丝料送入喷头。 气压喷头：在气压的作用下，融化材料被送入成型喷头。 螺旋挤压喷头：由电机驱动螺杆转动，将丝料送入喷头。 FDM快速成形技术的支撑 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。 根据STL文件判断成形过程所需要的支撑，由计算机设计出支撑结构，然后对STL格式文件分层切片，最后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。 FDM快速成形技术的支撑 FDM技术提供两种类型的支撑： 1. WaterWorks 水溶性支撑 : 可以分解于碱性水溶剂的可溶解性支撑结构。 2. Break Away Support Structure BASS 易剥离性支撑 : 水溶性支撑的前身，由手工将支撑从工件表面剥离以移除。 水溶性支撑因为可以不用考虑机械式的去除，所以可以保证制件细小的特征，因而用的更广泛。 FDM可能出现的缺陷 快速成形制件出现的缺陷分为表面缺陷和内部缺陷。 1. CAD前处理和阶梯状表面形成的缺陷 三角片近似表达曲面，可能会丢失细节信息；层状结构一方面会形成阶梯状结构，形成台阶效应，同时可能丢失阶梯内细节信息。 2. 顶部缺陷 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表面，这样的屋脊形表面需要光滑处理。 FDM可能出现的表面缺陷 FDM可能出现的表面缺陷 FDM缺陷解决方法 1.环形填充式的中线空洞和光栅填充式的半周界空洞 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部填满，因而，在环形面的中心处常常留下一个狭长的空洞。 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一个路宽时，继续填充。 FDM缺陷解决方法 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