熔融沉积快速成型工艺

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移除， 所以可以接近于细小的特征，因而用的更广泛。
第二章
熔融沉积快速成型 （丝状材料选择性熔覆 ）
概述
❖ 丝状材料选择性熔覆（Fused Deposition Manufacturing，简称FDM），又称熔融沉积 造型。
❖ 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6.1 ％。
快速成形制件可能出现的 表面缺陷
❖ 关键：喷头在距离终点多远时，丝材停止进 给运动？
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，造成多余的材 料溢出和粗糙的表面。
停止过早，造成材料的供应不足。
快速成形制件可能出现的 表面缺陷
❖ 4.撤除支撑时造成的缺陷 主要指在去除易剥离性支撑（BASS）时，
FDM成形的基本原理
❖ 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。
❖ 3.供料பைடு நூலகம்统
硬件系统
❖ （1）机械系统 ❖ 机械系统由运动、喷头、成形室、材料室、
快速成形制件可能出现的缺陷
❖ 快速成形制件出现的缺陷分为表面缺陷和内 部缺陷。
快速成形制件可能出现的 表面缺陷
❖ 1.CAD前处理和阶梯状表面形成的缺陷 ❖ 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。
快速成形制件可能出现的
软件系统
❖ 如果根据STL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 支撑，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。
供料系统
❖ 由马达驱动橡胶辊子，从而将丝料送入成形 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。
快速成形制件可能出现的 内部缺陷
❖ 解决办法：在光栅与周界的转角处增加材料 的流动速率或者改变光栅在转角处的路径。
快速成形制件可能出现的 内部缺陷
❖ 2.路间缺陷 ❖ 两种形式：
❖ 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；
❖ 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 的强度。
快速成形制件可能出现的 内部缺陷
会在制件表面留下一些毛刺和小凹坑。
快速成形制件可能出现的 内部缺陷
❖ 1.环形填充式的中线空洞和光栅填充式的半 周界空洞
快速成形制件可能出现的 内部缺陷
❖ 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。
❖ （2）控制系统 ❖ 由控制柜与电源柜组成，用来控制喷头的
运动以及成形室的温度。
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。
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。
❖ 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。
❖ 成形室用来把丝状材料加热到熔融态，材料 室用来储存FDM用的材料。
硬件系统
表面缺陷
❖ 3.喷头起/停误差造成的缺陷
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/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点协 调一致，否则就会造成材料的过剩和不足。
正确的是：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，喷头仍在喷料， 直至喷头到达终点。
❖ 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。
快速成型原理
❖ 叠加法：
FDM成形的基本原理
❖ FDM工作原理类似于 标花蛋糕的制作。
❖ 1.丝状热塑性材料材料 由供丝机构送进喷头， 在喷头中加热到熔融态。
FDM成形的基本原理
❖ 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， 随加热喷头的运动，选 择性地涂覆在工作台的 制件基座上，并快速冷 却固化。
快速成形制件可能出现的 内部缺陷
❖ 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。
快速成形制件可能出现的 内部缺陷
❖ 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不足的材 料填充，形成半周界的空洞。