熔融沉积快速成型工艺.pptx

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1、概述 v 丝状材料选择性熔覆（丝状材料选择性熔覆（Fused Deposition Manufacturing，简称，简称FDM），又称熔融沉积），又称熔融沉积造型。造型。v FDM快速原型工艺是一种不依靠激光作为成型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该工艺制造的产品目前的市场占有率约为6.1。v 研究研究FDM的主要有的主要有Stratasys公司和公司和Med Modeler 公司。此外

2、，清华大学推出了公司。此外，清华大学推出了MEM机机型。型。第1页/共42页快速成型原理v叠加法：叠加法：第2页/共42页FDM成形的基本原理 v FDM工作原理类似于工作原理类似于标花蛋糕的制作。标花蛋糕的制作。v1.丝状热塑性材料材料丝状热塑性材料材料由供丝机构送进喷头，由供丝机构送进喷头，在喷头中加热到熔融态。在喷头中加热到熔融态。第3页/共42页FDM成形的基本原理v2.熔融态的丝状材料被熔融态的丝状材料被挤压出来，按照计算机挤压出来，按照计算机给出的截面轮廓信息，给出的截面轮廓信息，随加热喷头的运动，选随加热喷头的运动，选择性地涂覆在工作台的择性地涂覆在工作台的制件基座上，并快速冷制

3、件基座上，并快速冷却固化。却固化。第4页/共42页FDM成形的基本原理v3.一层完成后喷头上升一层完成后喷头上升一个层高，再进行下一一个层高，再进行下一层的涂覆，如此循环，层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品。最终形成三维产品。第5页/共42页FDM快速成形的系统组成v1.硬件系统硬件系统 硬件系统由机械系统和控制系统组成。硬件系统由机械系统和控制系统组成。v2.软件系统软件系统 软件系统由几何建模和信息处理组成。软件系统由几何建模和信息处理组成。v3.供料系统供料系统第6页/共42页硬件系统v（1）机械系统）机械系统v 机械系统由运动、喷头、成形室、材料室、机械系统由运动、喷头、成形室、材料

4、室、等单元组成，多采用模块化设计，各个单元相等单元组成，多采用模块化设计，各个单元相互独立。互独立。v 运动单元只完成扫描和喷头的升降动作，且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。运动单元的精度决定了整机的运动精度。v 加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件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，作的截面轮廓信息，作X-Y平面运动和高度平面运动和高度Z方向方向的运动。的运动。v 成形室用来把丝状材料加热到熔融态，材料成形室用来把丝状材料加热到熔融态，材料室用来储存室用来储存FDM用的材料。用的材料。第7页/共42页硬件系统v（2）控制系统）控制

5、系统 v 由控制柜与电源柜组成，用来控制喷头的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。运动以及成形室的温度。第8页/共42页软件系统v软件系统由几何建模和信息处理组成。软件系统由几何建模和信息处理组成。v（1）几何建模单元是设计人员借助三维软件，）几何建模单元是设计人员借助三维软件，如如Pro/E，UG等，来完成实体模型的构造，等，来完成实体模型的构造，并以并以STL格式输出模型的几何信息。格式输出模型的几何信息。v（2）信息处理单元主要完成）信息处理单元主要完成STL文件处理、文件处理、截面层文件生成、填充计算，数控代码生成截面层文件生成、填充计算，数控代码生成和对成形系统

6、的控制。和对成形系统的控制。第9页/共42页软件系统v 如果根据如果根据STL文件判断出成形过程需要支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撑的话，先由计算机设计出支撑结构并生成支撑，然后对支撑，然后对STL格式文件分层切片，最后格式文件分层切片，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。统完成模型的成形。第10页/共42页供料系统v由马达驱动橡胶辊子，从而将丝料送入成形由马达驱动橡胶辊子，从而将丝料送入成形喷头。喷头。第11页/共42页FDM快速成形技术的支撑 v 设计支撑的原因：设计支撑的原因：FDM成形中，每

7、一个层成形中，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设计一些辅助结构“支撑支撑”，以保证成形，以保证成形过程的顺利实现。过程的顺利实现。第12页/共42页FDM快速成形技术的支撑vFDM技术提供两种类型的支撑：技术提供两种类型的支

8、撑：v1.WaterWorks(水溶性支撑水溶性支撑):可以分解于碱性可以分解于碱性水溶剂的可溶解性支撑结构。水溶剂的可溶解性支撑结构。v2.Break Away Support Structure(BASS)(易易剥离性支撑剥离性支撑):水溶性支撑的前身，由手工将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。从工件表面剥离以移除。v 水溶性支撑因为可以不用考虑机械式的移除，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。所以可以接近于细小的特征，因而用的更广泛。第13页/共42页快速成形制件可能出现的缺陷v快速成形制件出现的缺陷分为表面缺陷和内快速

9、成形制件出现的缺陷分为表面缺陷和内部缺陷。部缺陷。第14页/共42页快速成形制件可能出现的表面缺陷 v1.CAD前处理和阶梯状表面形成的缺陷前处理和阶梯状表面形成的缺陷v2.顶部缺陷顶部缺陷 由于喷嘴喷出的材料路径具有圆形的顶面，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，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。这样的屋脊形表面需要光滑处理。第15页/共42页快速成形制件可能出现的表面缺陷v3.喷头起喷头起/停误差造成的缺陷停误差造成的缺陷 由于切片后的轮廓每一层都有许多封闭的边界，由于切片后的轮廓每一层都有许多封闭的边界，每一个

10、封闭的几何边界都存在起每一个封闭的几何边界都存在起/停点，喷头的移停点，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。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。至喷头到达终点。第16页/共42页快速成形制件可能出现的表面缺陷v关键：喷头在距离终点多远时，丝材停止进关键：喷头在距离终点多远时，丝材停止进给运动？给运动？停止太迟，有太多的

11、丝材进入喷头，喷头停止太迟，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。料溢出和粗糙的表面。停止过早，造成材料的供应不足。停止过早，造成材料的供应不足。第17页/共42页快速成形制件可能出现的表面缺陷v4.撤除支撑时造成的缺陷撤除支撑时造成的缺陷 主要指在去除易剥离性支撑（主要指在去除易剥离性支撑（BASS）时，）时，会在制件表面留下一些毛刺和小凹坑。会在制件表面留下一些毛刺和小凹坑。第18页/共42页快速成形制件可能出现的内部缺陷 v1.环形填充式的中线空洞和光栅填充式的半环形填充式的中线空洞和光栅填充式的半周界空

12、洞周界空洞 第19页/共42页快速成形制件可能出现的内部缺陷v 在采用圆环形填充方式来填充时，可以将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部填满，因而，在环形面的中心处常常留下一个狭长

13、的空洞。一个狭长的空洞。第20页/共42页快速成形制件可能出现的内部缺陷v解决方法：改变环形填充的算法，要求有不解决方法：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。一个路宽时，继续填充。第21页/共42页快速成形制件可能出现的内部缺陷v 在采用光栅填充方式时，喷头在周界的转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，所以在急转弯个拐弯处，这时并

14、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。料填充，形成半周界的空洞。第22页/共42页快速成形制件可能出现的内部缺陷v解决办法：在光栅与周界的转角处增加材料解决办法：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。的流动速率或者改变光栅在转角处的路径。第23页/共42页快速成形制件可能出现的内部缺陷v2.路间缺陷路间缺陷v 两种形式：两种形式：v一是在相邻的两个路间没有物理接触，形成一是在相邻的两个路间没有物理接触，形成

15、空洞缺陷，这个缺陷容易观察到；空洞缺陷，这个缺陷容易观察到；v二是在相邻的两个路间有物理接触，但黏结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，会影响制件的不牢，这种接触不容易发现，会影响制件的强度。的强度。第24页/共42页快速成形制件可能出现的内部缺陷v解决方法：解决方法：v1.控制相邻路间的黏结温度，使得接触的牢控制相邻路间的黏结温度，使得接触的牢固固v2.控制材料的横向流动，填补空洞。控制材料的横向流动，填补空洞。第25页/共42页快速成形制件可能出现的内部缺陷v3.路径长度的影响路径长度的影响 当沿着很长的路径沉积材料时，在沉积下当沿着很长的路径沉积材料时，在沉

16、积下一道材料时，先沉积的材料温度下降的很大，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。因此，相邻路径制件会黏结不牢。v 解决方法：选择合适的路径长度。解决方法：选择合适的路径长度。第26页/共42页快速成形制件可能出现的内部缺陷v4.不一致的丝径不一致的丝径 材料在供给的过程中直径不是完全不变的，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当丝径有变化时，就会造成沉积材料的过剩或者不足。或者不足。v 解决方法：控制成形室的温度，使其均匀解决方法：控制成形室的温度，使其均匀一直。一直。第27页/共42页快速成形制件可能出现的内部缺陷v5

17、.丝材截面配置形式引起的空洞缺陷丝材截面配置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速制件空隙区域或丝料黏结的横截面环形区域的密度。度。对这两者影响最大的因素有：丝料挤出温度对这两者影响最大的因素有：丝料挤出温度TE、环境温度环境温度Tc、丝料与丝料间的空隙、丝料的流速和、丝料与丝料间的空隙、丝料的流速和截面配置方式。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。只有截面配置方式。第28页/共42页快速成形制件可能出现

18、的内部缺陷v 截面配置方式分为对齐配置机构和非对齐截面配置方式分为对齐配置机构和非对齐配置机构配置机构。第29页/共42页配置机构v对齐配置机构：是许多快速成形机采用的标准结构配置。v非对齐配置机构v如果丝料的截面形状由圆形变成椭圆形后，就有可能在层增加时，造成空洞缺陷。第30页/共42页FDM成形工艺用材料 v FDM成形工艺所用材料为热塑性材料且为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：高分子化合物，其材料主要是：vABS塑料；塑料；v浇铸用蜡；浇铸用蜡；v人造橡胶；人造橡胶；v聚脂热塑性塑料；聚脂热塑性塑料；第31页/共42页 FDM快速原型技术的优缺点 v一一.FD

19、M快速原型技术的优点快速原型技术的优点 v1.操作环境干净、安全可在办公室环境下进操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。（没有毒气或化学物质的危险，不使用行。（没有毒气或化学物质的危险，不使用激光）激光）v2.工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。v3.尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配。尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配。可快速构建瓶状或中空零件。可快速构建瓶状或中空零件。第32页/共42页FDM快速原型技术的优点v4.原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和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）快速更换。（运行费用低）v5.原材

20、料费用低，一般零件均低于原材料费用低，一般零件均低于20美元。美元。(价格便宜价格便宜)v6.材料利用率高。材料利用率高。v7.可选用多种材料，如可染色的可选用多种材料，如可染色的ABS和医用和医用ABS、PC、PPSF、浇铸用蜡和人造橡胶。、浇铸用蜡和人造橡胶。第33页/共42页FDM快速原型技术的缺点 v1.精度较低，难以构建结构复杂的零件。做精度较低，难以构建结构复杂的零件。做小件或精细件时精度不如小件或精细件时精度不如SLA，最高精度，最高精度0.127mm。2.与截面垂直的方向强度小。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。成形速度相对较慢，不适合构建大型零

21、件。第34页/共42页 FDM成形工艺的用途 v FDM成形工艺干净，易于操作，不产生垃成形工艺干净，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、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。于数字成像技术的三维实体模型制造。第35页/共42页RP技术的现状v RP技术经过十几年的发展，设备与材料两技术经过十几年的发展，设备与材

22、料两方面都有了长足进步。方面都有了长足进步。v 目前由于该技术的成本较高，加以制件的精目前由于该技术的成本较高，加以制件的精度、强度和耐久性还不能完全满足用户的要度、强度和耐久性还不能完全满足用户的要求，暂时阻碍了求，暂时阻碍了RP技术的推广普及。技术的推广普及。第36页/共42页RP技术的现状v此外，近年来此外，近年来CNC切削机床亦在大步向前发切削机床亦在大步向前发展，一方面价格大幅度下调，另一方面高速展，一方面价格大幅度下调，另一方面高速高精度的高精度的CNC机床问世，制件时间缩短，精机床问世，制件时间缩短，精度及表面质量提高，因此，不少企业使用度及表面质量提高，因此，不少企业使用CNC

23、切削机床快速制造金属或非金属模具及切削机床快速制造金属或非金属模具及零件技术提出了新的挑战。零件技术提出了新的挑战。第37页/共42页RP技术的现状v 但是，在成形复杂中空的零件方面，但是，在成形复杂中空的零件方面，CNC切削机床是不能取代切削机床是不能取代RP技术的，这种直接从技术的，这种直接从概念设计迅速转为产品设计的生产模式，必概念设计迅速转为产品设计的生产模式，必然是然是21世纪中制造技术的主流。世纪中制造技术的主流。v 随着科技的进步，随着科技的进步，RP技术还会大踏步地向技术还会大踏步地向前发展，并将成为许多设计公司、制造公司、前发展，并将成为许多设计公司、制造公司、研究机构和教育

24、机构等采用的基本技术。研究机构和教育机构等采用的基本技术。第38页/共42页RP技术的发展趋势v从上述从上述RP技术的现状来看，未来几年的主要技术的现状来看，未来几年的主要发展趋势如下：发展趋势如下：v1.提高提高RP系统的速度、控制精度和可靠性，系统的速度、控制精度和可靠性，优化设备结构；优化设备结构；v2.提高数据处理速度和精度。提高数据处理速度和精度。v3.研究开发成本低、易成形、变形小、强度研究开发成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成型材料。高、耐久及无污染的成型材料。第39页/共42页RP技术的发展趋势v4.开发新的成型能源；开发新的成型能源；v5.研究开发新的成型方法；研究开发新的成型方法；v6.继续研究快速模具制造技术；继续研究快速模具制造技术；v7.扩大应用范围。扩大应用范围。第40页/共42页快速成型技术及应用快速成型技术及应用张汪年张汪年第41页/共42页感谢观看！感谢观看！第42页/共42页