熔融沉積成型快速成型技術(shù)

快速成型技術(shù)是利用三維建模軟件快速生成模型和實(shí)體零件的技術(shù)總稱。它是一種新穎的零件制造方式，應(yīng)用層層堆積、增材制造的手段生產(chǎn)加工零件。3D打印與傳統(tǒng)的鑄造、機(jī)械加工等方法相比，更容易適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的變化，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。依靠此技術(shù)可以生成非常復(fù)雜的實(shí)體，而且成型的過程中無需模具的輔助?？焖俪尚图夹g(shù)涉及到 CAD 技術(shù)、材料科學(xué)、數(shù)控技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)械工程和激光技術(shù)等多種領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從二維模型轉(zhuǎn)換為三維實(shí)體的一種制造方式?？焖俪尚图夹g(shù)有很多種成熟的工藝方法，如熔融沉積成型制造工藝、光固化快速成型工藝、激光燒結(jié)工藝、疊層實(shí)體制造工藝。

快速成型技術(shù)是由計(jì)算機(jī)利用三維建模軟件構(gòu)建三維模型，隨后依據(jù)工藝規(guī)劃，將建立的模型分散成一系列有序的二維單元，一般在 Z 向根據(jù)厚度要求首先進(jìn)行分層，把三維模型分離成一系列的二維切片，然后根據(jù)每一層的輪廓信息，輸入設(shè)計(jì)的加工參數(shù)，生成加工程序，最后經(jīng)由快速成型系統(tǒng)將零件自動成型，從而得到一個(gè)三維物理模型。

FDM 工藝是利用熱塑性材料的熱熔性、粘結(jié)性，在 PLC 控制下逐層堆積成型。熔融沉積成型工藝原理，如圖1所示。成型材料和支撐材料由供絲機(jī)構(gòu)送至各自對應(yīng)的噴頭，并在噴頭中加熱至熔融態(tài)。加熱噴頭在控制系統(tǒng)指令下沿著零件截面輪廓和內(nèi)部軌跡運(yùn)動，同時(shí)將半流動狀態(tài)的熱熔材料擠出，粘稠狀的成型材料和支撐材料被選擇性地涂覆在工作臺上，迅速固化后形成截面輪廓。當(dāng)前層成型后，噴頭上升特定高度再進(jìn)行下一層的涂覆，層層堆積形成三維產(chǎn)品。

熔融沉積快速成型技術(shù)已經(jīng)基本成熟，大多數(shù) FDM 設(shè)備具備以下特點(diǎn)：（1）設(shè)備以數(shù)控方式工作，剛性好，運(yùn)行平穩(wěn)；（2）X、Y 軸采用精密伺服電機(jī)驅(qū)動，精密滾珠絲杠傳動；（3）實(shí)體內(nèi)部以網(wǎng)格路徑填充，使原型表面質(zhì)量更高；（4）可以對 STL 格式文件實(shí)現(xiàn)自動檢驗(yàn)和修補(bǔ)；（5）絲材寬度自動補(bǔ)償，保證零件精度；（6）擠壓噴射噴頭無流涎、高響應(yīng)；（7）精密微泵增壓系統(tǒng)控制的遠(yuǎn)程送絲機(jī)構(gòu)，確保送絲過程持續(xù)和穩(wěn)定 。

熔融沉積成型技術(shù)不采用激光，因而這種儀器的使用、維護(hù)比較便捷，成本不高。用蠟成型的零件模型，能夠用于石蠟鑄造；利用 PLA、ABS 成型的模型具有較高的強(qiáng)度，可以直接用于產(chǎn)品的測試和評估等。近年來又開發(fā)出 PPSF、PC等高強(qiáng)度的材料，可以利用上述材料制造出功能性零件或產(chǎn)品。鑒于 FDM 技術(shù)的很多優(yōu)點(diǎn)，所以該技術(shù)在取得了快速發(fā)展。

由于采用熔融沉積成型工藝的成型件是利用熔融狀態(tài)下的絲材在工作空間中層層堆積而成，因此在構(gòu)建模型時(shí)，通常需要設(shè)計(jì)輔助支撐結(jié)構(gòu)。美國 Stratasys 公司隨機(jī)附有產(chǎn)生支撐結(jié)構(gòu)的切片軟件，而且可以把水溶性絲材當(dāng)作支撐結(jié)構(gòu)的材料，當(dāng)模型加工完畢后，只需要通過水洗處理，就可以快速便捷的去掉支撐結(jié)構(gòu)，這在很大程度上簡化了熔融沉積成型技術(shù)的后處理過程，優(yōu)化了制件的表面精度。

熔融沉積成型技術(shù)所用的成型材料一般為熱塑性材料，常見的有 PLA、ABS、尼龍等。其工藝原理是成型材料和支撐材料通過送絲機(jī)構(gòu)送進(jìn)相應(yīng)的噴嘴，在噴嘴內(nèi)被加熱至熔融狀態(tài)，噴嘴通過成型系統(tǒng)的控制，根據(jù)提前設(shè)定的輪廓信息和填充軌跡做平面運(yùn)動，而且經(jīng)由噴嘴擠出的材料均勻地平鋪在每一層截面輪廓上，此時(shí)被擠出的絲材在短時(shí)間內(nèi)快速冷卻，并和上一層固化的材料粘連在一起，層層堆積，最終生成所需的實(shí)體零件。

熔融沉積成型，(Fused deposition modeling, FDM)，是一種將各種熱熔性的絲狀材料（蠟、ABS和尼龍等）加熱熔化成形的方法，是3D打印技術(shù)的一種。 又可被稱為FFM 熔絲成型 (Fused Filament Modeling) 或FFF 熔絲制造 (Fused Filament Fabrication)，其后兩個(gè)不同名詞主要只是為了避開前者FDM專利問題，然而核心技術(shù)原理與應(yīng)用其實(shí)均是相同的。熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型的部分溫度稍低于固化溫度。熱熔性材料擠噴出噴嘴后，隨即與前一個(gè)層面熔結(jié)在一起。一個(gè)層面沉積完成后，工作臺按預(yù)定的增量下降一個(gè)層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個(gè)實(shí)體零件 。

先用CAD軟件建構(gòu)出物體的3D立體模型圖，將物體模型圖輸入到FDM的裝置。FDM裝置的噴嘴就會根據(jù)模型圖，一層一層移動，同時(shí)FDM裝置的加熱頭會注入熱塑性材料(ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)樹脂、聚碳酸脂、PPSF(聚苯砜)樹酯、聚乳酸和聚醚酰亞胺等)。材料被加熱到半液體狀態(tài)后，在電腦的控制下，F(xiàn)DM裝置的噴嘴就會沿著模型圖的表面移動，將熱塑性材料擠壓出來，在該層中凝固形成輪廓。FDM 裝置會使用兩種材料來執(zhí)行打印的工作，分別是用于構(gòu)成成品的建模材料和用作支架的支撐材料，透過噴嘴垂直升降，材料層層堆積凝固后，就能由下而上形成一個(gè)3D打印模型的實(shí)體。打印完成的實(shí)體，就能開始最后的步驟，剝除固定在零件或模型外部的支撐材料或用特殊溶液將其溶解，即可使用該零件了。

熔融沉積成型技術(shù)之所以能夠得到廣泛應(yīng)用，主要是由于其具有其他快速成型工藝所不具備的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為以下幾方面：

1. 成型材料廣泛熔融沉積成型技術(shù)所應(yīng)用的材料種類很多，主要有PLA、ABS、尼龍、石蠟、鑄蠟、人造橡膠等熔點(diǎn)較低的材料，及低熔點(diǎn)金屬、陶瓷等絲材，這可以用來制作金屬材料的模型件或 PLA 塑料、尼龍等零部件和產(chǎn)品。

2. 成本相對較低，因?yàn)槿廴诔练e成型技術(shù)不使用激光，與其他使用激光器的快速成型技術(shù)相比較而言，它的制作成本很低；除此之外，其原材料利用率很高并且?guī)缀醪划a(chǎn)生任何污染，而且在成型過程中沒有化學(xué)變化的發(fā)生，在很大程度上降低了成型成本。

3. 后處理過程比較簡單，熔融沉積成型技術(shù)所采用的支撐結(jié)構(gòu)很容易去除，尤其是模型的變形比較微小，原型制件的支撐結(jié)構(gòu)只需要經(jīng)過簡單的剝離就能直接使用。出現(xiàn)的水溶性支撐材料使支撐結(jié)構(gòu)更易剝離。

此外，熔融沉積成型技術(shù)還有以下優(yōu)點(diǎn)：用石蠟成型的制件，能夠快速直接地用于失蠟鑄造；能制造任意復(fù)雜外形曲面的模型件；可直接制作彩色的模型制件。當(dāng)然，和其他快速成型工藝相比較而言，熔融沉積成型技術(shù)在以下方面還存在一定的不足：

1. 只適用于中小型模型件的制作

2. 成型零件的表面條紋比較明顯

3. 厚度方向的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比較薄弱，因?yàn)閿D出的絲材是在熔融狀態(tài)下進(jìn)行層層堆積，而相鄰截面輪廓層之間的粘結(jié)力是有限的，所以成型制件在厚度方向上的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱。

4. 成型速度慢、成型效率低

在成型加工前，由于熔融沉積成型技術(shù)需要設(shè)計(jì)并制作支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)在加工的過程中，需要對整個(gè)輪廓的截面進(jìn)行掃描和堆積，因此需要較長的成型時(shí)間。熔融沉積成型工藝包括前處理、成型加工過程和后處理三個(gè)部分，前處理主要包括零件的三維建模、模型切片處理、切片文件的校驗(yàn)與修復(fù)、模型擺放位置的確定以及加工參數(shù)的確定；成型加工過程是指零件被加工制造的階段；后處理是指零件加工完成后，為了滿足使用工況需求，對其表面和支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)處理的過程 。2100433B