熔融沉积成型技术(一)

本节 知识点
1 熔融沉积成型技术的发展和工艺原理
2 熔融沉积成型技术的优点和不足
3 熔融沉积成型技术的工艺流程
熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM），也称熔融沉积制造、熔融堆 积成型等。
该工艺思想最先由美国学者斯科特•克伦普 （Scott Crump）于1988年提出，并于1989年申 请了美国专利。同年，斯科特和妻子丽莎•克伦普 （Lisa Crump）一同创立了Stratasys 公司。 1992年，Stratasys公司在成立3年后，推出了第一 台基于FDM技术的3D工业级打印机。由于FDM的 设备维护方便，成型材料广泛，自动化程度高，且 占地面积小，目前被广泛应用于产品开发、快速模 具制作、医疗器械的设计开发及人体器官的原型制 作，代表着快速成型制造技术的一个重要发展方向。
缺点：（1）精度低。（2）强度低。（3）打印时间长。（4）需要支撑 材料。
4. 简述FDM工艺成型过程。
• 前处理：建立三维模型、数据转换、分层切片。 • 熔融沉积成型： 使用丝状热塑性材料在喷头中加热至熔融态，按照
分层截面轮廓涂覆在工作台上冷却成型。 • 后处理：去除支撑、打磨、抛光、上色。
（1）送料。FDM的加料系统采用一对夹持轮将直径约为 1.75mm的丝材插入加热腔入口，控制信号使电机带动驱动 轮，送丝机构工作，依靠2个驱动轮旋转时产生的摩擦力将 丝材送往喷头内。
（2）加料段：在温度达到单丝的软化点之前，单丝与加 热腔之间有一段间隙不变的区域，称其为加料段。加料段中， 刚插入的料丝和已熔融的物料共存。尽管料丝已开始被加热， 但仍能保持固体时的物性；已熔融的物料则呈流体特性。此 处的熔料不断受到机筒的加热，能够及时将热量传递给料丝， 熔融物料的温度可视为不随时间变化；又因为熔体层厚度较 薄，因此，熔体内各点的温度近为相等。
2、 熔融沉积成型技术缺点
（2）强度低。受工艺和材料限制，打印物品的性能强度低， 尤其是沿Z轴方向的材料强度比较弱，达不到工业标准。
（3）打印时间长。喷嘴口直径不可无限小，一般为0.4mm左 右。
成型时需按横截面形状逐步打印，成型过程中受到一定的限制， 制作时间长，不适于制造大型物件。
（4）需要支撑材料。在成型过程中需要加入支撑材料，在打 印完成后要进行剥离。随着技术的进步，市面上已经有水溶性支 撑材料，该缺点正在被逐步克服。
在国内，清华大学也较早地进行了FDM工艺 商品化系统的研制工作，并推出熔融挤压制造设备 ME沉积成型技术成型原理
熔融沉积(简称FDM) 又叫熔丝沉积，采用丝状材料作为加工物质。 成型设备主要由送丝机构、喷头 、工作台、运动机构以及控制系统 组成。
（b）为清华大学开发的弹簧挤压摩擦轮送料装置。该装置采用可调 直流电机来带动摩擦轮，并通过压力弹簧将丝料压紧在两个摩擦轮 之间，两摩擦轮是活动结构，其间距可调，压紧力可通过螺母调节， 这就解决了图（a）喷头结构中进料装置的缺点。该进料装置的优点 是结构简单、轻巧，可实现连续稳定地进料，可靠性高。
1.丝料；2.可调直流电机；3.压力弹簧；4.螺母；5.摩擦轮；6.丝料入口
螺杆式出丝系统工作原理图
二、 熔融沉积成型技术成型特点
1、 熔融沉积成型技术优点
（１）成本低。FDM技术无需激光系统，因而价格低廉。现在市场上 的桌面打印机大多采用FDM技术，最便宜的已经降至1万元以下。
（2）原材料的利用率高。没有废弃的成型材料，支撑材料可以回收。 且没有毒气或化学物质的污染。
（3）设备、材料体积较小，原材料以材料卷的形式提供，易于搬运和 快速更换。
（2）螺杆式挤出方式
通过一个驱动螺杆协同同步齿形带传 动与送料箱将料丝送入成型头内，再通过加 热棒将料丝加热到熔融态，并在螺杆的运动 下将熔融态料丝从喷嘴中挤出，最后完成料 丝的堆积成型。
优点：出丝稳定。依靠螺杆作用将熔融态料 丝挤出的，可一定程度上保证出丝系统的挤 出压力。 缺点：结构复杂；
送料时需对丝材进行弯折，即对丝材 的韧性要求较高。
（C）采用增加辊的数目或增加与物料的接触面积和摩擦的方法来提 高摩擦驱动力，图c为一款多辊进料的喷头结构。该喷头采用多辊共同 摩擦驱动的进料方式，其特点在于由主驱动电机带动三个主动辊和三个 从动辊来共同驱动。三个主动辊由皮带或链条连接，并由主驱动电机来 驱动。在弹簧的推力作用下，依靠压板将从动辊压向主动辊，靠主动辊 和从动辊与丝料的摩擦作用将丝料送入塑化装置。
Pro/E
是CAD/CAM/CAE一体化的 三维软件，是参数化技术的最 早应用者，在三维造型软件领 域占有重要地位。
AutoCAD
可用于绘制二维制图和基本三维 设计，通过它无需建立三维实体 模型的编程，即可自动制图，因 此在全球被广泛使用。
获得模型STL格式的数据
STL格式表达简单明了，其 实质是用无数多个细小的三角形 来近似的代替并且还原原来的三 维CAD模型，与有限元中的网 格划分有很大相似处。STL格式 目前已普遍被快速成型设备接受， 成为快速成型行业数据的一个标 准。
喷笔是使用压缩空气将模型 漆喷出的一种工具。与气泵配 用，因为喷笔必须有气压才可 以将颜料喷出来。
利用喷笔来对打印模型上色 可节省大量的时间，涂料也能 均匀地涂在模型表面上，还能 喷出漂亮的迷彩及旧化效果。
本节课内容回顾
1. FDM成型的原理是什么？ 2.FDM成型的出丝系统主要有哪两种方式？ 成型原理是什么？ 3. FDM成型优点和缺点是什么？ 4. 简述FDM工艺成型过程。
抛光
抛光处理
抛光处理前后对比
目前常用的抛光方法有：机械抛光、化学抛光、电解抛光、流体抛光、超 声波抛光等。熔融沉积常用的方法是机械抛光，常用工具是砂纸、纱绸布、 打磨膏，也可使用抛光机配合帆布轮、羊绒轮等设备进行抛光。
喷漆（上色）
上色可采用自喷漆喷漆法、 喷笔喷漆法、手工涂绘法等方 法。上色时要注意漆料是否能 附着在材料之上，根据不同的 使用方法调整好漆的浓度，有 序、均匀地进行喷涂。
三、 熔融沉积成型技术成型工艺过程 FDM的工艺流程图
建立三维 实体模型
S T L文件 数据转换
分层切片 加入支撑
后处理
三维模 型成型
逐层熔融 沉积制造
Autodesk123D
是一套适用于普通用户的建 模软件,可以通过简单的操作 编辑3D模型，不需要专业知 识。
3Done
是一款为中小学生呈现创意 设计而开发的设计软件，功 能强大、易于上手，能够轻 松表达想法。
（1）柱塞式挤出方式：依靠两个摩擦轮运动将料丝送入加热器内。 （2）螺杆式挤出方式： 通过一个驱动螺杆协同同步齿形带传动与送料 箱将料丝送入成型头内。
3. FDM成型优点和缺点是什么？
优点：（1）成本低。（2）原材料的利用率高。（3）设备、材料易于搬 运和快速更换。 （3）成型材料范围较广。（4）原材料在成型过程 中无化学变化，制件的翘曲变形小。（5）环境污染较小。
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1. FDM成型的原理是什么？
丝状热塑性材料由送丝机构送至喷头，并在喷头中加热至熔融态， 然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成加工工件截面轮廓。 当一层成形完成后，工作台下降一截面层的高度，喷头再进行下一层的 涂覆，如此循环，最终形成三维实体。
2.FDM成型的出丝系统主要有哪两种方式？成型原 理是什么？
后处理
打磨 喷漆（上色）
去除支撑 抛光
去除支撑
去除支撑结构是FDM技术的 必要后处理工艺，复杂模型一般 采用双喷头打印，其中一个喷头 挤出的材料就是支撑材料，FDM 的支撑材料有较好的水溶性，也 可在超声波清洗机中用碱性 （NaOH溶液）温水浸泡后将其溶 解剥落。
打磨
打磨处理主要是去除成型件 “台阶效应”达到表面光洁度和装 配尺寸精度要求. 方法：可用水砂纸直接手工打磨的 方法，但由于成型材料ABS较硬， 会花费较长时间。也可采用天那水 （香蕉水）浸泡涂刷使成型表面溶 解平滑的方法，但需控制好浸泡时 间或涂刷量，一般1次浸泡时间为 2～5s，或用毛笔刷蘸天那水多次 涂刷。
（3）熔化段：随着单丝表面温度升高，物料熔融形成一 段单丝直径逐渐变细直到完全熔融的区域，称为熔化段。
（4）熔融段：在物料被挤出口模之前，有一段完全由熔 融物料充满喷嘴的区域，称为熔融段。在这个过程中，单丝 本身既是原料，又起到活塞的作用，从而把熔融态的材料从 喷嘴中挤出。
3. 熔融沉积成型出丝系统
1、 熔融沉积成型技术成型原理
当制件的轮廓变化较大时， 前一层的强度不足以支撑当前层， 需设计适当的支撑，保证模型顺 利成形。
目前，很多工业级FDM设备 采用双喷嘴，一个喷嘴用于填充 成形材料，一个喷嘴用于填充支 撑材料，成形速度为单喷头的5 倍左右。
2. 熔融沉积成型挤出过程
熔融挤出过程如下：通过控制FDM喷头加热器，直接将 丝状或粒状的热熔性材料加热熔化。
熔融沉积成型技术 （一）
课前问题：
1.你知道3D打印的主要成型工艺有哪些？分别有什 么不同？
按制造工艺原理分以下几种
熔融沉积技术 (FDM)
激光固化成型 （SLA）
层合实体制造 (LOM)
三维喷涂粘结 (3DP)
粉末激光烧结 (SLS)
快速成型工艺（二）—— 熔融沉积成型（FDM）
猜一猜：
下面茶具样品是用什么材料制作的？是通过什么方法制 作的？
切片处理
目前使用比较多 的切片软件主要 有Slic3r和Cura 两种，也有公司 针对自己机器特 点开发了专用的 切片软件。
成型过程
成型机按照控制系统指令，首先升高 工作台并靠近喷头，到较近距离（10mm） 时，改用较小的升降速度（1mm/s），继 续升高工作台并贴紧喷头，保证成形时喷 头距离工作台（0.1～0.3）mm，喷头与工 作台的高度可以根据底面粘结情况微调， 市面上的成型机一般具有自动调平的功能， 若成型机无此功能，一般成型机在正式打 印前需要进行该步调平工作。
UG
是当今较为流行的一模具 设计软件，功能强大，是 一款专业级的软件。
Autodesk123D AutoCAD
Pro/E 3Done
建立三维实体模型
SolidWo rks
UG
SolidWorks
是世界上第一个基于Windows 开发的三维CAD系统，有功能 强大、易学易用和技术创新三大 特点，也属于专业级软件。
（1）柱塞式挤出方式
通过两个摩擦轮将料丝夹紧， 然后依靠摩擦轮运动将料丝送入 加热器内，使固态料丝加热到熔 融态，再靠丝料的活塞推进作用 将熔融态丝料由喷嘴挤出，完成 丝料的堆积成型。
优点：结构简单，维护方面。 缺点：对丝料直径要求高，出丝 不稳定。
（a）为美国Stratasys公司开发，该进料装置结构简单，丝料在两个 驱动轮的摩擦推动作用下向前运动，其中一个驱动轮由电机驱动。由 于两驱动轮间距一定，这就对丝料的直径非常敏感，若丝料直径大， 则夹紧驱动力就大；反之，驱动力就小，并可能引起不能进料的现象。
2、 熔融沉积成型技术缺点
（1）精度低。温度对于FDM成型效果影响非常大，而桌面级FDM 3D 打印机通常都缺乏恒温设备，另外在出料部分缺少控制部件，致使难 以精确地控制出料形态和成型效果。这些原因导致FDM的桌面级3D打 印机的成品精度通常为0.1～0.3毫米。每层的边缘容易出现由于分层沉 积而产生的“台阶效应”，导致很难达到所见即所得的效果。
喷头装置在计算机的控制下，可根据加工工件截面轮廓的信息 做X,Y方向的平面运动，而工作台作做Z方向（垂直高度）的运动。丝 状热塑性材料（如塑料丝、蜡丝、聚烯树脂丝、尼龙丝、聚酰胺丝） 由送丝机构送至喷头，并在喷头中加热至熔融态，然后被选择性地 涂覆在工作台上，快速冷却后形成加工工件截面轮廓。当一层成形 完成后，工作台下降一截面层的高度，喷头再进行下一层的涂覆， 如此循环，最终形成三维实体。
（3）成型材料范围较广。如各种色彩的工程塑料ABS、PC、PPSF以 及医用ABS、工业级的石蜡、金属、工程塑料、低熔点合金丝等热 塑性材料均可作为FDM技术的成型材料。
（4）原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。 （5）环境污染较小。在整个打印过程中不涉及高温、高压，没有有毒
物质排放。操作环境干净、安全，可在办公室环境下进行。