熔融挤压沉积快速成型工艺与设备

气压FDM案例
气压FDM案例
10：1 8：1
200μm
(a) 质量比为10:1混合材料丝材形貌
200μm
5：1
(b) 质量比为8:1混合材料丝材形貌
200μm
石蜡和硬脂酸镁混合材料熔融挤压蜡丝形貌
(c) 质量比为5:1混合材料丝材形貌
气压FDM案例
采用 S ( ( x x) 2 / n)1 / 2 计算的直径标准偏差为0.8845μm到 2.236μm。而质量比例为5：1的改性石蜡，一方面由于材料黏度 较大，出丝缓慢、不顺畅，丝材直径明显增加，平均直径达到 416.9μm，而且，直径标准偏差达到8.725μm，丝材直径均匀程 度显著下降。

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。
FDM快速原型技术的优缺点
一.FDM快速原型技术的优点 1. 操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。（没有毒气 或化学物质的危险，不使用激光） 2. 工艺干净、简单、易于操作且不产生垃圾。 3. 尺寸精度±0.2mm，表面质量Ra10~30μm。 4. 材料强度、韧性优良，可以装配进行功能测试。 5. 可快速构建瓶状或中空零件。
支撑
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
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，会在制件表 面留下一些毛刺和小凹坑。 5. 丝材截面配置（层叠加）形式引起的空洞缺陷 堆积出的三维模型的内部结构特性主要取决于快速制件 空隙区域或丝料黏结的横截面环形区域的密度。 对这两者影响最大的因素有：丝料挤出温度 Te 、环境 温度 Tc 、丝料与丝料间的空隙、丝料的流速和截面配置方 式。 前四个因素在成形过程中一般是不变的，改变的只有截 面配置方式。
丝材配置（叠加）结构

对齐配置结构：是许多快速成 形机采用的标准结构配置。

非对齐配置结构
截面配置方式分为对齐配置机构和非对齐配置结构。
FDM缺陷解决源自文库法
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。
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。
屋脊形
FDM可能出现的表面缺陷
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。 正确的作法是：在喷头还未到达终点时，丝材进给运动就 停止，在余压的作用下，喷头仍在喷料，直至喷头到达终点。 螺旋挤压喷头，可通过反向旋转控制送料。
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。
送丝辊 压缩空气
电机 料丝 送丝轮 加热器 螺杆 喷头
熔融材料 料丝 加热圈 融化罐
料丝自加压式喷头结构简图
气压式喷头结构简图
螺旋挤压喷头结构简图
FDM快速原型技术的优点
6. 原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。（运 行费用低） 7.可选用多种材料，如可染色的ABS和医用ABS、PC、PPSF、 浇铸用蜡和人造橡胶。
FDM快速原型技术的缺点
1.精度较低，难以构建结构复杂的零件。做小件或精细件时 精度不如SLA。 2.与截面垂直的方向强度小。 3.成形速度相对较慢，不适合构建大型零件。 4. 喷头容易发生堵塞，不便维护。 5. 原材料价格高。 6. 材料利用率低。
45 40 35 30
Paraffin/ magnesium stearate
10:1
8:1
5:1 4:1
μ/Pa· s
25
20 15 10 5 0 74 76 78 80 82 84 86
T /℃
纯石蜡的熔融挤压成型丝
图2 石蜡和硬脂酸镁混合材料的黏 度测试
气压FDM案例
实验结果表明，挤出材料的速度随加热温度和气体压力 的升高而增大，其中气体压力对其影响更大。采用西安交通 大学研制的气压熔融挤压快速成形系统，熔融挤压改性石蜡 材料，石蜡与硬脂酸镁的质量比例为 8：1，改变熔融加热温 度和气压，测定熔融材料出丝速度。 当熔融挤压快速成形系统喷嘴直径为 0.4mm时，测量10s 内熔融挤丝的重量，用于评价熔融挤丝速度，测量结果如表 2所示。
8：1
10cm
(b) 石蜡和硬脂酸镁质量比为8:1混合材料 快速成型制件形貌
图4 改性石蜡熔融挤压快速成型制件形貌
气压FDM案例
A D
O
E
1.5mm
F
h
B
(a) 正常速度时，丝材端面
(b) 速度过大时，丝材端面
b w
C
图5 挤丝速度对丝宽的影响
b: 丝端面矩形模型宽度，w: 丝端面组合模型宽度，h: 丝 端面模型高度（分层厚度）
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。 FDM 水溶性支撑因为可以不用考虑机械式的去除，所以 制件 可以保证制件细小的特征，因而用的更广泛。
在成形过程中，挤出的丝要 受到喷嘴下端面的作用，同时 在填充方向上还受到已堆积丝 的拉伸作用，因此挤出丝应该 是具有一定宽度的扁平状丝材， 如图5。
图6 丝的截面形状模型
喷嘴出丝速度、分层厚度以及扫 描速度决定了丝的宽度，而丝的宽度 决定了扫描间距的设置。可假设熔融 挤出丝截面为矩形和弧形组合模型 [5]， 如图6。
FDM成形工艺的用途
FDM成形工艺干净，易于操作，不产生垃圾，小型系统 可用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险，比较适 合于家用电器、办公用品以及模具行业新产品开发，以及用 于假肢、医学、医疗、大地测量、考古等基于数字成像技术 的三维实体模型制造。
气压FDM案例
选择石蜡作为主体原材料，利用硬脂酸盐对其改性。改性石蜡 加热到一定温度呈流体状态，在气压作用下，可以顺利流过直径很 小的喷嘴，形成均匀的丝材。 实验中发现纯石蜡丝材，因为表面黏度低，导致丝与丝之间根 本无法黏结在一起（见图 1），因此无法作为气压熔融挤压快速成 形材料。实验结果表明，随着硬脂酸镁含量的增加，混合材料黏度 增加；随着加热温度的增加，黏度降低。
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。
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。

FDM缺陷解决方法
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。 解决方法： 1. 控制相邻路间的黏结温度，使得接触的牢固 2. 控制材料的横向流动，填补空洞。
0.17 0.21 0.25
1.8
W/mm 1.6 1.4 1.2 1 14 16 18 20 22
V/mm.s-1
图7 挤丝宽度计算结果
气压FDM案例
300μm
(a) e>w
300μm
300μm
(b) e=w
图8 扫描间距对成型质量的影响
(c) e<w
FDM成形工艺用材料



FDM成形工艺所用材料为热塑性材料且为高分子化合 物，其材料主要是： ABS塑料； 浇铸用蜡； 人造橡胶； 聚脂热塑性塑料；
FDM缺陷解决方法
3. 路径长度的影响 当沿着很长的路径沉积材料时，在沉积下一道材料时，先 沉积的材料温度下降的很大，因此，相邻路径制件会黏结不 牢。 解决方法：选择合适的路径，如选择短边平行路径。 4. 不一致的丝径 材料在供给的过程中直径不是完全不变的，当丝径有变化 时，就会造成沉积材料的过剩或者不足。 解决方法：控制成形室的温度、送丝速度，使其均匀一致。


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。
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。


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。
气压FDM案例
熔融挤出丝的宽度：
2.4 2.2
分层厚度，h/mm
w (b 2 h 2 )1 / 2
2 2 2 2 25 h v m 2 2 h h 5hv 2 4m 2 1/ 2
2
0.15 0.19 0.23
气压FDM案例
10：1 脱黏
从制件表面质量看出，石 蜡与硬脂酸镁质量比为 10:1 时，丝与丝之间黏结不牢固， 丝与丝之间出现脱黏现象。 当石蜡与硬脂酸镁质量比为 8:1时，层与层之间没有出现 脱黏现象，表现出良好的成 形性。
10cm
(a) 石蜡和硬脂酸镁质量比为10:1混合材料 快速成型制件形貌