材料成型技术论文.doc

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1、材料成型技术课程论文题 目： 熔融沉积制造-FDM 系 （部）： 专 业： 学生姓名： 学 号： 完成时间： 201 年 月 日 word文档 可自由复制编辑前 言快速成型技术(Rapid Prototyping)是 20 世纪80年代中后期发展起来的一项新型的造型技术。RP技术是将计算机辅助设计(CAD) 、计算机辅助制造(CAM) 、计算机数控技术(CNC) 、材料学和激光结合起来的综合性造型技术。RP经过十多年的发展 ,已经形成了几种比较成熟的快速成型工艺光固化立体造型( SL Stereo lithography) 、分层物体制造(LOM Laminated Object Manufa

2、cturing)选择性激光烧结(SLSSelected Laser Sintering)和熔融沉积造型( FDM Fused Deposition Modeling)等。这四种典型的快速成型工艺的基本原理都是一样的 ,但各种方法各有其特点。FDM（Fused Deposition Modeling）工艺是由美国学者Scott Crump于1988年研制成功，其后由Stratasys公司推出商品化的3D Modeler 1000、1100和FDM 1600、1650等系列产品。后来清华大学研究开发出了与其工艺原理相近的MEM（Melted Extrusion Modeling）工艺及系列产品。1

3、 目前，FDM工艺已经广泛应用于汽车领域，如车型设计的检验设计、空气动力评估和功能测试；也被广泛应用于机械、航空航天、家电、通信、电子、建筑、医学、办公用品、玩具等产品的设计开打过程，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、塑料件开模前检验设计以及少量产品制造等。用传统方法需机几个星期、几个月才能制造的复杂产品原型，用FDM成型法无需任何道具和模具，可快速完成。1 熔融沉积制造工艺原理1.1快速成形技术基本原理 快速成型技术是对零件的三维 CAD 实体模型 ,按照一定的厚度进行分层切片处理 ,生成二维的截面信息 ,然后根据每一层的截面信息 ,利用不同的方法生成截面的形状。这

4、一过程反复进行 ,各截面层层叠加 ,最终形成三维实体。分层的厚度可以相等 ,也可以不等。分层越薄 ,生成的零件精度越高 ,采用不等厚度分层的目的在于加快成型速度。1.2FDM 的工艺原理图1 FDM工艺原理图如图 1 所示。成形时，丝状的成形材料和支撑材料由送丝机构送至各自对应的微细喷头，在喷头的挤出部位被加热至熔融或半熔融状态。喷头在计算机控制 下，按照模型的CAD分层数据控制的零件截面轮廓和填充轨迹作 X-Y 平面运动；同时在恒定压力下，将融化的材料以较低的速度连续的挤出并控制其流量。材料被选择 性的沉积在层面指定位置后迅速凝固，形成截面轮廓，并与周围的材料凝结。一层截面完成后 ，工作台下

5、降一层的高度（0.25-0.75mm） ，再继续进行下一层的沉积。如此重复 ，直至完成整个实体的造型3。2 熔融沉积制造系统简介2.1硬件系统 一般熔融沉积制造机械系统包括运动、喷头、成型室、材料室、控制室和电源室等单元，喷头是该系统的关键部件7。以上海富力奇公司推出的TSJ系列快速成型机为例介绍一下喷头结构8。如图2，喷头内的螺杆和送丝机构可用同一步进电机驱动，当外部计算机发出指令后，步进电机驱动螺杆，同时通过同步齿形带传动与送料辊将塑料丝送人成型头，在喷头中熔融，并在螺杆挤压作用下通过喷嘴涂覆在工作台上。图2 FDM快速成型系统喷头结构示意图82.2软件系统几何建模单元是由设计人员借助CA

6、D软件，如PRO/E、Auto-CAD等构造产品的实体模型或由三维测量仪（CT、MRI等）获取的数据重构产品的实体模型，最后以STL格式输出原型的几何信息。信息处理单元由STL文件处理、工艺处理、数控、图形显示等模块组成，分别完成对STL文件错误数据检验与修复、层片文件生成、填充线计算、数控代码生成和对原型机的控制。其中，工艺处理模块根据STL文件判断制作成型过程中是否需要支撑，如需要支撑则进行支撑结构设计，并以CLI格式输出产生分层CLI文件。 2.3供料系统供料系统主要完成原型材料和支撑材料的精准供给。送料时，实芯丝材原材料缠绕在供料辊上，由电动机驱动辊子旋转，辊子和丝材之间的摩擦力使丝材

7、向喷头的出口送进。在供料辊与喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦材料制成，以便丝材能顺利、准确地由供料辊送到喷头的内腔。3 熔融沉积制造系统设备简介目前研究熔融沉积工艺设备的主要有美国的Stratasys 公司、MedModeler 公 司以及国内的清华大学。 所有Stratasys 公司生产的设备都具有下列特征10： （1）设备结构紧凑，设计成“即插即用”原型机； （2）无需激光器，能量损耗低； （3）不需冷却水； （4）对操作者而言，不需排除刺激的或有毒的蒸汽； （5）可在办公环境下操作。 FDM3000是系列机（包括FDM1650、FDM2000、FDM8000）中的标准设备。与其他机型

8、相比，该设备有两个喷头，可以同时挤出模型材料和支撑料。设备本身紧凑，只有160Kg，不需要多余的配置，只需230V/10A的电压，通过一个V24的接口与工作站联系，喷头是可更换的。图3 FDM3000原型机 图4 FDM Titan原型机图3型号为FDM3000 ，其技术参数如下：使用材料：ABS （P400 ） 支撑材料：水溶性支撑材料 成形尺寸：254mm 254mm 254mm精度：Model尺寸127 mm，精度为0.178 mm（-0.001 4 mm/mm）Model尺寸127 mm，精度为0.053 4 mm/mm 层厚：0.177 8 mm 0.254 0 mm0.304 8

9、mm 重 量：160Kg电 源： 230V/10A 图4为FDM Titan原型机，其技术参数如下：成型尺寸：14x16x16in(355x406x406mm)成形材料： ABS、PC、PPSF每层厚度：0.12(ABS)/0.17(PC)/0.25mm支撑材料：水溶性支撑(ABS)，易于剥离支撑(PC/PPSF)重 量：726kg电 源：230V，50/60Hz， 3Pase， 16A外观尺寸：1270(W)x876(D)x1981(H)mm 图5 FDM Maxum原型机 图6 Fortus 400C原型机图5为FDM Maxum原型机，其技术参数如下：成形尺寸:23.6x19.7x23.

10、6in(600x500x600mm)成形材料:ABS（p400）ABS Si（P500）每层厚度:0.12/0.17/0.25mm支撑材料:WaterWorks for ABS重 量:1134kg电 源:208-240VAX, 50/60Hz, 32A外观尺寸:2235(W)x1981(D)x1118(H)mm 对于塑料来讲，FDM Maxum是最大最快的FDM设备，设计用来成形ABS模型。其速度快的原因在于采用电磁式空气线轴承驱动。工作时，定子固定在底座，转子安装在挤出头中，喷头靠移动的电磁场在x，y方向定位，移动迅速、准确，并且因为是空气支撑，非常接近于无摩擦10。图6为Fortus 40

11、0C原型机，其技术参数如下：Fortus 400C原型机技术参数成形尺寸： 356 x 254 x 254 mm （ 406 x 356 x 406 mm ） 成形材料：ABS、PC、PPSF/PPSU每层厚度： 0.330 mm 0.254 mm 0.178 mm 0.127 mm成形精度： (+/- .127 mm or +/- .0015 mm per mm） 支撑材料： 水溶性（ ABS，PC-ABS ）；易于剥离支撑（ PC, ULTEM 9085, PPSF/PPSU） 电 源： 230 VAC, 50/60 Hz, 3 phase, 16A/phase4 FDM快速成型工艺过程F

12、DM快速成形工艺流程图如下图7所示：图7 FDM快速成形工艺流程图4.1产品三维建模 设计人员接到设计任务后，首先根据产品的使用要求，利用计算机辅助设计软件设计出产品的三维模型。目前常用的设计软件有: Pro/ E、Solidworks 、MDT 、AutoCAD 、U G等4 。或由三维测量仪（CT、MRI等）获取的数据重构产品的实体模型，最后以STL格式输出原型的几何信息。4.2三维模型分层处理 在得到零件三维实体后，要完成最终造型，必须得到每一层的二维截面信息，所以必须对三维模型进行分层处理。目前最普遍的方法是采用美 国 3D System 公 司 开 发 的 STL(Sterolith

13、graphy)文件格式。这种文件格式是将CAD表面离散化为三角形面片，如图7所示。根据实体的表面曲率，实体的表面由众多的三角形面片组成，不同的精度时有不同的三角形网格划分。如图8为对同一直径的球体在不同精度条件下的表面三角形面片表示6。 图8 STL格式文件三角面片表示 图9 不同精度条件下球体表面三角片面表示4.3 FDM造型 产品的造型包括两个方面:支撑制作和实体制4.3.1 支撑制作由于 FDM 的工艺特点 ,系统必须对产品三维CAD模型做支撑处理 ,否则 ,在分层制造过程中 ,当上层截面大于下层截面时 ,上层截面的多出部分会出现悬浮(或悬空) ,从而使截面部分发生塌陷或变形 ,影响零件

14、原型的成型精度 ,甚至使产品原型不能成型。支撑还有一个重要的目的:建立基础层。在工作平台和原型的底层之间建立缓冲层 ,使原型制作完成后便于剥离工作平台。此外 ,基础支撑还可以给制造过程提供一个基准面。所以FDM 造型的关键一步是制作支撑。4.3.2实体制作在支撑的基础上进行实体的造型 ,自下而上层层叠加形成三维实体 ,这样可以保证实体造型的精度和品质。4.4 后处理快速成型的后处理主要是对原型进行表面处理。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。但是 ,原型的部分复杂和细微结构的支撑很难去除 ,在处理过程中会出现损坏原型表面的情况 ,从而影响原型的表面

15、品质。于是 ,1999 年 Stratasys 公司开发出水溶性支撑材料 ,有效的解决了这个难题。目前 ,我国自行研发 FDM 工艺还无法做到这一点 ,原型的后处理仍然是一个较为复杂的过程。5 FDM工艺过程影响因素5.1材料性能 材料的性能直接影响成形过程及成形精度。FDM工艺对材料以下性能有所要求：（1）材料的粘度：材料的粘度低，流动性好，阻力就小，有助于材料的顺利挤出。材料的流动性差，需要很大的压力才能挤出，会增加喷头的起停响应时间，从而影响成形精度。（2）材料的熔融温度：熔融温度低可以使材料在较低温度下挤出，有利于提高喷头和整个机械系统的寿命。而且，减少材料在挤出前后的温差，能够减少热

16、应力，从而提高原型的精度。 （3）材料的粘结性：FDM原型的层层之间往往是零件强度最薄弱的地方，粘结性好坏决定了零件成形以后的强度。粘结性过低，有时在成形过程中因热应力会造成层与层之间的开裂。 （4）材料的收缩率：挤出后的材料丝一般会发生一定程度的膨胀，如果材料收缩率对压力比较敏感，会造成挤出材料丝直径与喷嘴名义直径相差过大影响成形精度。另外，FDM成形材料收缩率对温度不能太敏感，否则会产生零件翘曲、开裂。 为此，FDM工艺对成形材料的要求是熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小。另外，FDM材料还要有良好的成丝性；在相变过程中具有良好的化学稳定性，且要有小的收缩性。FDM工艺选用的材料为丝状

17、热塑性材料，常用的有石蜡、塑料、尼龙丝等低熔点材料和金属、陶瓷等的线材或丝材7。此外，FDM工艺对支撑材料性能同样有一定的要求，主要有： （1）能承受一定的高温 由于支撑材料要与成形材料在支撑面上接触，因此，支撑材料必须能够承受成形材料的高温，在此温度下不产生分解与融化 （2）与成形材料不浸润，便于后处理 支撑材料室加工中的辅助手段，在加工完毕后必须去除，所以支撑材料与成形材料的亲和性不应太好 （3）具有水溶性或酸溶性 为了便于后处理，支撑材料最好可以在某种溶液里溶解 （4）具有较低的熔融温度 材料在较低的温度挤出，提高喷头的使用寿命 （5）流动性要好 由于支撑材料的成形精度要求不高，为了提高

18、机器的扫描速度，要求支撑材料具有很好的流动性，相对而言，粘性何以差一些。5.2喷头温度和成型室温度喷头温度决定了材料的粘度性能、堆积性能、丝材流量以及挤出宽度。喷头温度太低，则材料粘度打，挤丝速度慢，不仅加重挤压系统负担，还有可能造成喷嘴堵塞，而且材料层间粘结强度降低，可能引起层间剥离。温度太高，材料偏向于液态，粘性系数偏小，流动性强，挤出速度快，无法形成可精确控制的丝。这样会出现前一层材料还未冷却成形，后一层材料就加压其上，从而使前一层材料坍塌和破坏。因此，喷头温度应根据丝材的性质在一定范围内选取。 成形室的温度对成形件的热应力有影响。温度过高，有助于减小热应力，但零件表面易于起皱；温度过低

19、，从喷嘴挤出的丝材材骤冷使成形件热应力增加，容易引起零件翘曲变形。而且由于挤出丝冷却速度过快，导致层间粘结不牢固，会有开裂的倾向。因此，一般成型室的温度设定为比挤出丝的熔点温度低12C.5.3挤出速度和填充速度 挤出速度是指丝材在送丝机构的作用下，从喷嘴中挤出时的速度，填充速度则是指喷头在运动机构的作用下，按轮廓路径和填充路径运动时的速度。如果填充速度与挤出速度匹 配后出丝太慢，则材料填充不足，出现“断丝”现象，难以成型；相反，填充速度与挤出速度匹配后出丝太 快，熔丝堆积在喷头上，使成型面材料分布不均匀，表面会有“疙瘩”，影响造型质量.所以，应根据具体情况，将挤出速度和填充速度进行合理匹配。5

20、.4分层厚度由于每层有一定的厚度，会在成形后的实体表面产生台阶效应，直接影响到成形后实体的尺寸误差和表面粗糙度。一般来说，分层厚度越小，台阶效应越不明显，表面质量也越高，但是分层处理和成形时间会变长，降低成形效率。相反，分层厚度越大，表面质量越差，但成形效率相对较高。可在实体成形后进行打磨，抛光等后处理来提高成形精度。5.5 延迟时间延迟时间包括出丝延迟时间和断丝延迟时间。当送丝机构开始送丝时，喷嘴不会立即出丝，而有一定的滞后，把这段滞后时间称为出丝延迟时间。同样当送丝机构停止送丝时，喷嘴也不会立即断丝，把这段滞后时间称为断丝延迟时间。在工艺过程中，需要合理地设置延迟时间参数，否则会出现拉丝太

21、细，黏结不牢或未能黏结，甚至断丝、 缺丝的现象，或者出现堆丝、 积瘤等现象，严重影响原型的质量和精度9。5.6扫描方式 合适的扫描方式可降低原型内应力的积累，有效防止零件的翘曲变形。熔融沉积工艺方法中的扫描方式有多种，如从制件的几何中心向外依次扩展的螺旋扫描，按轮廓形状逐层向内偏置的偏置扫描及按X、Y轴方向扫描、回转的回转扫描等。通常，偏置扫描成形的轮廓尺寸精度容易保证，而回转扫描路径生产简单，但轮廓精度较差。为此，可以采用复合扫描方式，即外部轮廓用偏置扫描，而内部区域填充用回转扫描，从而既可以提高表面精度，也可以简化扫描过程，提高扫描效率。6 FDM工艺特点及应用1. 成形材料广泛,一般的热

22、塑性材料如石蜡、塑料、尼龙丝等，适当改性后都可以用于熔融沉积制造。该工艺也可以堆积复合材料零件，如把低熔点的蜡或塑料熔融时与高熔点的金属粉末、陶瓷粉末、剥离纤维、碳纤维等混合成多相成形材料。 2.成形设备简单，成本低,FDM技术靠材料熔融实现连接成形，用液化器代替了激光器，相比其他使用激光器的工艺方法，大大简化了设备，制作费用大大减低。且设备运行，维护也相对容易，可靠性高。 3.使用无毒的原材料，成形过程对环境无污染，设备系统可在办公环境中安装使用 4.可以成形任意复杂程度的零件，常用于成形具有很复杂的内腔、孔等零件 5.原材料在成形中无化学变化，制件的翘曲变形小 6.原材料利用率高，且材料寿

23、命长 7.支撑去除容易，无需化学清洗，分离容易任何工艺都有其优点和缺点，熔融沉积制主要存在以下几个方面的问题： (1)只适合成形中、小型的塑料件； (2)成形件表面有较明显的条纹，表面精度不高； (3)沿成形轴垂直支撑结构； (4)需对整个截面方向的强度比较弱； (5)需设计、制作进行扫描涂覆，因此成形时间较长； (6)原材料价格昂贵。目前，FDM工艺已经广泛应用于汽车领域，如车型设计的检验设计、空气动力评估和功能测试；也被广泛应用于机械、航空航天、家电、通信、电子、建筑、医学、办公用品、玩具等产品的设计开打过程，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、塑料件开模前检验设计

24、以及少量产品制造等。用传统方法需要几个星期、几个月才能制造的复杂产品原型，用FDM成型法无需任何道具和模具，可快速完成。参考文献1张人佶. 先进成形制造实用技术M.北京：清华大学出版社，2008.2侯清泉，刘春生. 快速成型机加工工艺方法研究J.黑龙江科技学院学报，2009,（1）：14-15. 3陈雪芳，荣 静. 基于FDM的快速成型质量的研究J.苏州市职业大学学报,2009,(3):100-1034赵 萍 ，蒋 华 ，周芝庭. 熔融沉积快速成型工艺的原理及过程J.机械制造与研究,2007，(5):40-41.5赵吉斌，刘军伟.快速成型技术中基于STL模型的分层算法研究J.机械制造与研究,2006，(7):49-51.6范春华等主编. 快速成型技术及其应用M.北京：电子工业出版社,2007. 7张彦华，薛克敏主编.材料成型工艺M.北京：高等教育出版，2006.8刘伟军等主编.快速成型技术及应用M.北京：机械工业出版社，2005 9余东满，李晓静，王 笛.熔融沉积快速成型工艺过程分析及应用J.机械制造与研究,2007，(1):101-105 word文档 可自由复制编辑