FDM快速成型工艺

FDM快速成型技术
摘要：随着RP行业的迅速发展，FDM快速成型技术在快速成型制造领域中的作用日趋重要，本文重点阐述了FDM快速成型技术的工作原理，工艺特点，应用领域及未来的发展趋势。

关键词：FDM快速成型工作原理工艺应用
1. 引言
目前，快速成型(Rapid Prototyping, RP)技术作为研究和开发新产品的有力手段已发展成为一项高新制造技术中的新兴产业。

RP由CAD模型直接驱动，快速地生产出复杂的三维实体样件或零件[1~2]。

RP技术从产生到现在已有10多年历史，并正以35%的年增长率发展着[3]。

熔融沉积快速成型（FDM）是继光固化快速成型和叠层实体快速成型工艺后的另一种应用比较广泛的快速成型工艺。

FDM技术将ABS，PC，PPSF以及其它热塑性材料挤压成为半熔融状态的细丝，由沉积在层层堆叠基础上的方式，从3D CAD资料直接建构原型。

该技术通常应用于塑型，装配，功能性测试以及概念设计。

此外，FDM技术可以应用于打样与快速制造。

该工艺方法以美国STRA TASYS公司开发的FDM制造系统应用最为广泛。

在2004年，STRATASYS 公司的FDM 快速成型机系列占全球市场48.5%。

北京航空工艺研究所现拥有一台多功能快速成型机，能完成LOM（叠层实体制造），FDM （熔融沉积制造）和SLS（选择性激光烧结）3种工艺，FDM制件精度可达 0.15mm。

2. FDM工作原理
2.1 FDM快速成型的原理
熔融沉积制造法(FDM)快速成型技术的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。

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。

最后对其进行表面处理。

FDM的成型流程图如图2-1所示。

2.2 FDM机械系统的工艺原理
FDM机械系统主要包括喷头、送丝机构、运动机构、加热工作室、工作台5个部分(如图2-2所示)。

将低熔点丝状材料通过加热器的挤压头熔化成液体，使熔化的热塑材料丝（熔模铸造蜡丝的熔融温度为74℃，机加工蜡丝的熔融温度为96℃，聚烯烃树脂丝为106℃，聚酰胺丝为155℃，ABS 塑料丝为270℃）通过喷头挤出，挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上，并在1/10s内迅速凝固，每完成一层成型，工作台（主要由台面和泡沫垫板组成）便下降一层高度[4]，喷头再进行下一层截面的扫描喷丝，如此反复逐层沉积，直到最后一层，这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件[5]。

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。

支撑可以用同一种材料建造，现在一般都采用双喷头独立加热，一个用来喷模型材料制造零件，另一个用来喷支撑材料做支撑,两种材料的特性不同，制作完毕后去除支撑相当容易。

送丝机构为喷头输送原料，送丝要求平稳可靠。

原料丝一般直径为1～2 mm ，而喷嘴直径只有0.2～0.3 mm 左右，这个差别保证了喷头内一定的压力和熔融后的原料能以一定的速度(必须与喷头扫描速度相匹配)被挤出成型。

送丝机构和喷头采用推-拉相结合的方式，以保证送丝稳定可靠，避免断丝或积瘤。

运动机构包括x 、y 、z 三个轴的运动。

快速成型技术的原理是把任意复杂的三维零件转化为平面图形的堆积，因此不再要求机床进行三轴及三轴以上的联动，大大简化了机床的运动控制，只要能完成二轴联动就可以了。

x 、y 轴的联动扫描完成FDM 工艺喷头对截面轮廓的平面扫描，z 轴则带动工作台实现高度方向的进给。

加热熔化膛用来给成型过程提供一个恒温环境。

由于熔融状态的丝挤出成型后如果骤然受到冷却，容易造成翘曲和开裂，所以FDM 工艺要求环境温度要适宜。

其主要缺点是不能制作悬臂零件[6~7]。

最后对其进行处理，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。

3. FDM 快速成型工艺的特点
3.1 FDM 成型材料的选择
熔融沉积工艺使用的材料分为两部分：一类是成型材料，另一类是支撑材料。

FDM 工艺对成型材料的要求是熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小。

图2-2 FDM 系统模型图
图2-1 FDM 成型流程图
STL 文件数据转换
熔融沉积成型
表面处理
三维模型
分层切片 加入支撑
建立三维实体模型
FDM 工艺对支撑材料的要求是能承受一定高温，与成型材料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、熔融温度较低、流动性好。

3.2 FDM 工艺的优缺点
FDM 快速成型工艺的优点
（1）成本低。

熔融沉积造型技术用液化器代替了激光器，设备费用低；另外原材料的利用效率高且没有毒气或化学物质的污染，使得成型成本大大降低。

（2）采用水溶性支撑材料，使得去除支架结构简单易行，可快速构建复杂的内腔、中空零件以 及一次成型的装配结构件。

（3）原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。

（4）可选用多种材料，如各种色彩的工程塑料ABS 、PC 、PPS 以及医用ABS 等。

（5）原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。

（6）用蜡成型的原型零件，可以直接用于熔模铸造。

（7）FDM 系统无毒性且不产生异味、粉尘、噪音等污染。

不用花钱建立与维护专用场地，适合于办公室设计环境使用。

（8）材料强度、韧性优良，可以装配进行功能测试。

FDM 成型工艺与其它快速成型工艺相比，也存在着许多缺点： （1）原型的表面有较明显的条纹。

（2）与截面垂直的方向强度小。

（3）需要设计和制作支撑结构。

（4）成型速度相对较慢，不适合构建大型零件。

（5）原材料价格昂贵。

（6）喷头容易发生堵塞，不便维护。

3.3 FDM 与其它工艺的比较
将FDM 与SLA 、LOM 、SLS 、FDM 快速成型工艺的指标如成型速度，精度，制造成本，复杂程度，零件大小等方面的比较情况如表3-1所示，将FDM 与SLA 、SLS 设备、成本，操作难易，材料种类，性能及生产应用等特性的比较如表3-2所示。

表3-1 FDM 工艺与其它几种快速成型工艺方法的比较
表3-2 FDM 工艺方法与其SLA 、SLS 若干特性的比较
指标 SLA LOM SLS FDM 成型速度 较快 快 较慢 较慢 原型精度 高 较高 较低 较低 制造成本 较高 低 较低 较低 复杂程度 复杂 简单 复杂 中等 零件大小 中小件 中大件 中小件 中小件 常用材料
热固性光敏树脂等
纸、金属箔、塑料薄膜等
石蜡、塑料、金
属、陶瓷等粉末 石蜡、尼龙、ABS 、
低熔点金属等
比较项FDM SLA SLS
设备价格★★
操作成本★★
维修成本★★
设备操作难易程度★★
后处理★★★
占地空间、电力需求、电力环境等★★
材料种类★★★
材料实用性★★★
材料弹性★★
材料强度★★★★
材料抗剪性★★
材料抗拉性★★
建造速度★★★
生产能力★★★
零件精度及表面粗糙度★★★★
生产应用★★★
4. FDM快速成型技术的应用
FDM快速成型机采用降维制造原理，将原本很复杂的三维模型根据一定的层厚分解为多个二维图形，然后采用叠层办法还原制造出三维实体样件。

由于整个过程不需要模具，所以大量应用于汽车、机械、航空航天、家电、通讯、电子、建筑、医学、玩具等产品的设计开发过程，如产品外观评估、方案选择、装配检查、功能测试、用户看样订货、塑料件开模前校验设计以及少量产品制造等，也应用于政府、大学及研究所等机构[8]。

用传统方法须几个星期、几个月才能制造的复杂产品原型，用FDM成型法无需任何刀具和模具，瞬间便可完成[9]。

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。

（1）FDM在日本丰田公司的应用
丰田公司采用FDM工艺制作右侧镜支架和四个门把手的母模，通过快速模具技术制作产品而取代传统的CNC制模方式，使得2000 Avalon车型的制造成本显著降低，右侧镜支架模具成本降低20万美元，四个门把手模具成本降低30万美元。

FDM工艺已经为丰田公司在轿车制造方面节省了200万美元。

（2）FDM在美国快速原型制造公司的应用
从事模型制造的美国Rapid Models & Prototypes公司采用FDM工艺为生产厂商Laramie Toys制作了玩具水枪模型。

借助FDM工艺制作该玩具水枪模型，通过将多个零件一体制作，减少了传统制
作方式制作模型的部件数量，避免了焊接与螺纹连接等组装环节，显著提高了模型制作的效率。

（3）FDM在Mizunos公司的应用
1997年1月，Mizuno美国公司开发一套新的高尔夫球杆，通常需要13个月的时间。

FDM的应用大大缩短了这个过程，设计出的新高尔夫球头用FDM制作后，可以迅速地得到反馈意见并进行修改，大大加快了造型阶段的设计验证，一旦设计定型，FDM最后制造出的ABS原型就可以作为加工基准在CNC机床上进行钢制母模的加工。

新的高尔夫球杆整个开发周期在7个月内就全部完成，缩短了40%的时间。

目前，FDM快速原型技术已成为Mizuno美国公司在产品开发过程中起决定性作用的组成部分。

（4）FDM在福特公司的应用
福特公司常年需要部件的衬板，当部件从一厂到另一厂的运输过程中，衬板用于支撑、缓冲和防护。

衬板的前表面根据部件的几何形状而改变。

福特公司一年间要采用一系列的衬板，一般地，每种衬板改型要花费成千万美元和12周时间制作必需的模具。

新衬板的注塑消失模被联合公司选作生产部件后，部件的蜡靠模采用FDM制作，制作周期仅3天。

其间，必须小心的检验蜡靠模的尺寸，测出模具收缩趋向。

紧接着从铸造石蜡模翻出A2钢模，该处理过程将花费一周时间。

模具接着车削外表面，划上修改线和水平线以便机械加工。

该模具在模具后部设计成中空区，以减少用钢量，中空区填入化学粘结瓷。

仅花5周时间和一半的原来成本，而且制作的模具至少可生产30000套衬板。

采用FDM工艺后，福特汽车公司大大缩短了运输部件衬板的制作周期，并显著降低了制作成本。

（5）FDM在韩国现代公司的应用
韩国现代汽车公司采用了美国Stratasys公司的FDM快速原型系统，用于检验设计、空气动力评估和功能测试。

采用ABS工程塑料的FDM Maxum系统满足了两者的要求，在1382mm的长度上，其最大误差只有0.75mm。

5.FDM的发展趋势
FDM工艺是快速成型领域很有特色的工艺方法,与LOM和SLS工艺可并称为三大主流技术。

快速成型是虚拟制造技术的有力补充，是直接架通思想与现实的桥梁。

美国在80年代末提出、90年代重点发展的武器研制系统方法并行工程强调了阶段的相互关联、阶段信息的双向交流以及反馈，RP技术是实现这些目标的有力手段。

可以预期，FDM必将在制造业、航空航天业中体现更高的价值，并得到更迅速的发展。

当前FDM快速成型技术的发展趋势是将FDM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。

FDM快速成型技术未来的发展趋势主要体现在以下几个方面：
（1）材料成型和材料制备
随着科学技术的发展，材料和零件要求具有很高的性能，要求实现材料和零件设计的定量化和数字化，实现材料和零件制备的一体化和集成化。

（2）生物制造和生长成型
21世纪是生物科学的世纪，与工程科学相结合特别是与制造科学相结合，基于对不同层次生命活动的理解，生物技术和生物医学工程学能够为人类创造财富和解决人类的健康问题。

（3）计算机外设和网络制造
FDM快速成型技术是全数字化的制造技术，FDM快速成型设备的三维成型功能和普通打印机具有共同的特性。

（4）FDM快速成型与微纳米制造
目前，常用的微加工技术方法从加工原理上属于通过去除材料而“由大到小”的去除成型工艺，难于加工三维异形微结构，并且深宽比的进一步增大受到了限制。

而FDM快速成型根据离散/堆积的降维制造原理，能制造任意形状复杂的结构。

（5）直写技术与快速处理
a. 直写技术：直写技术对材料单元具有精确控制的能力，是FDM快速成型的核心。

b. 信息来源与软件：随着快速成型技术向快速制造技术转变，制造出最终零件对精度的要求越来越高。

对快速成型进行建模、计算机仿真和优化，可以提高快速成型技术的精度，实现真正的净成型，成型用的工具包括限差分和有限元等。

参考文献
[1] Lee E W. Processes overview, JIEC/WTEC panel report on rapid prototyping in Europe and Japan. V ol.1, analytical chapters, 1997
[2] 张曙.现代先进制造的潮流快速成型技术的历史、现状和展望[J]. 快速制造技术, 2000, (1): 710
[3] Jacobs P F. Stereolithography and other RP&M technologies: from rapid prototyping to rapid tooling. SME, Dearborn, Michigan.1996
[4] 卢秉恒. RP技术与快速模具制造[M]. 西安: 陕西科学技术出版社,1998
[5] 余东满. 熔融沉积快速成型工艺过程分析及应用[J]. 机械设计与制造.2011
[6] 蒋伟辅. 快速成型技术综述[J]. 机械工程与自动化, 2011,(6) : 214
[7] 谭永生, 王健. 快速成型技术进展. 航空工艺技术, 1999(增刊): 21
[8] 陈晓华. 快速成型技术. 江苏电器, 2004, (1): 39
[9] 谭永生. FDM快速成型技术及其应用. 航空制造技术, 2000, (1): 26。