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1、3D打印成型工艺及材料,3D打印技术研究所,第5章 熔融沉积成型工艺及材料,熔融沉积成型工艺及材料,Scott Crump于1988年首先提出了熔融沉积成型思想，并在同年成立了Stratasys公司。Stratasys公司从1993年开始先后推出了FDM1650、FDM2000、FDM3000和FDM8000等机型。1998年推出的FDM-Quantum机型，采用挤出头磁浮定位系统，可同时独立控制两个喷头，其中一个喷头用于填充成型材料，另一个喷头用于填充支撑材料，其造型速度为过去的5倍。Stratasys公司的Mojo、Dimension、uPrint和Fortus等多个产品均采用FDM为核心
2、技术。,5.1 概述,桌面级FDM成型设备：MakerBot公司的MakerBot Replicator系列3D Systems公司的Cube系列北京太尔时代公司的UP系列杭州先临公司的Einstart系列,5.1 概述,1.熔融挤出过程FDM工艺采用喷头加热器将丝状或粒状热熔性材料加热熔化，并以极细丝状从喷嘴挤出。在温度达到丝材软化点之前，丝材与加热腔之间有一段间隙不变的区域，称为加料段。随着丝材表面温度升高，物料熔化，形成一段丝材直径逐渐变细直到完全熔融的区域，称为熔化段。在物料被挤出口之前，有一段完全由熔融物料充满机筒的区域，称为熔融段。,5.2 成型原理及工艺,5.2.1 成型原理,2
3、.喷头内熔体的热平衡 假设喷头内部温度处处相等，沿喷头接触方向不存在热流。,5.2 成型原理及工艺,5.2.1 成型原理,QME：随熔体进入喷嘴的热量QMA：喷头中被对流带走的热量QRAD：喷头中以热辐射方式失去的热量Q耗：喷头中单位时间内的热量耗散QH：加热系统供给的热量QCA：空气中流失的热量,2.喷头内熔体的热平衡,5.2 成型原理及工艺,5.2.1 成型原理,热平衡的一般形式为：进入系统的热流-离开系统的热流+单位时间内系统产生的热量=单位时间内系统内存储的热量,3.喷头内熔体流动性 喷嘴流道由直径分别为D1和D2的等截面圆管和由D1过渡到D2的锥形圆管组成。锥形圆管能更好的减小流道直
4、径突变所带来的阻力变化，还可以避免发生局部紊流现象。直径为D2的末端圆管用于熔体挤出成型前的稳定性流动，以便成型更精确稳定的尺寸。不同流道内的流场导致各个流道出现不同压力差。,5.2 成型原理及工艺,5.2.1 成型原理,3.喷头内熔体流动性 1）等截面圆形管道中的熔体流动假设熔体沿z向流动是等温且稳定的，忽略入口效应且流动是充分发展的，则此时的流动流场可简化为z方向单向流动。压力差为：,5.2 成型原理及工艺,5.2.1 成型原理,3.喷头内熔体流动性 2）锥形圆管中的熔体流动 整个流道中的总压力差P为两段圆形管道和一段锥形管道三段压力差之和。,5.2 成型原理及工艺,5.2.1 成型原理,
5、4.丝材粘结机理 材料确定条件下，丝材粘结界面温度越高，有效扩散时间越充分，分子运动就越剧烈，丝材中越过界面的分子扩散量越多。,5.2 成型原理及工艺,5.2.1 成型原理,1.前处理,5.2 成型原理及工艺,5.2.2 成型工艺,2.成型过程 在计算机控制下，电机驱动送料机构使丝材不断地向喷头送进，丝材在喷头中通过加热器将其加热成熔融态，计算机根据分层截面信息控制喷头沿一定路径和速度移动，熔融态材料从喷头中不断被挤出，随即与前一层粘结在一起。每成型一层，喷头上升一截面层的高度或工作台下降一个层的厚度，继续填充下一层，如此反复，直至完成整个实体造型。,5.2 成型原理及工艺,5.2.2 成型工
6、艺,2.成型过程 双喷头设计，两个喷头分别成型模型实体材料和支撑材料。,5.2 成型原理及工艺,5.2.2 成型工艺,3.后处理 对原型进行表面处理，除了去除支撑外，还包括对模型的抛光打磨。,5.2 成型原理及工艺,5.2.2 成型工艺,机械处理热处理表面涂层处理化学处理,优点：,5.2 成型原理及工艺,5.2.3 工艺特点,（1）运行成本低，操作和维护简单（2）成型材料广泛（3）环境友好，安全环保（4）后处理简单（5）易于搬运，对环境无限制,缺点：,5.2 成型原理及工艺,5.2.3 工艺特点,（1）成型件成型精度较低（2）成型件易发生层间断裂现象（3）需要设计和制作支撑结构（4）成型时间较
7、长，不适合成型大型件,5.3 成型系统,FDM成型系统主要由机械系统和控制系统两部分组成：机械系统主要包括框架支撑系统、三轴运动系统、喷头打印系统等；控制系统主要由硬件系统和软件系统组成。,5.3 成型系统,（1）运动系统 主流FDM成型设备主要采用两种结构：一是笛卡尔型，又称XYZ型或Cartesian型；二是并联臂型，又称Delta型或三角洲型。1）笛卡尔型,5.3.1 机械系统,5.3 成型系统,（1）运动系统 2）并联臂型 工作原理：连杆将滑块与打印机的喷头相连接，将滑块的运动转化为喷头的运动，通过连杆本身的刚度来完成对打印喷头的牵引，进而实现整个运动的控制。,5.3.1 机械系统,5
8、.3 成型系统,（2）挤出机构 1）分类 根据塑化方式的不同，分为：,5.3.1 机械系统,气压式螺杆式柱塞式,5.3 成型系统,（2）挤出机构 气压式 粘度低时，挤出阻力小，材料的挤出速度变快；粘度增高时，挤出速度变慢，甚至发生喷嘴堵塞。随着材料被挤出，剩余材料逐渐减少，使气体空腔逐渐增大，气体的可压缩性和滞后性会导致材料在喷嘴的挤出滞后，响应速度变慢，同时一致性也发生变化。,5.3.1 机械系统,5.3 成型系统,（2）挤出机构 螺杆式 螺杆式挤出方式对材料的粘度变化比较敏感，螺杆长时间旋转会使料筒内部温度升高，导致材料粘度降低。在有材料换型需求的作业中，更换喷头非常麻烦，螺杆清洗十分困难
9、，维护成本较高。,5.3.1 机械系统,5.3 成型系统,（2）挤出机构 柱塞式 相较于气压式挤出和螺杆式挤出，柱塞式挤出结构简单，方便日后维护与更换，且仅需一台步进电机就可完成挤出功能，成本低廉。,5.3.1 机械系统,5.3 成型系统,（2）挤出机构 2）驱动机构分析 凹轮式,5.3.1 机械系统,普通的金属光滑刚性轮橡胶轮刚性的摩擦轮,5.3 成型系统,（2）挤出机构 2）驱动机构分析 V型轮式 V型轮式驱动机构就是将驱动轮边缘制成V型。丝材在V型轮两边缘之间，因而丝材两侧均受到了主动轮提供的摩擦力，V型轮进而提供了更大的驱动力。,5.3.1 机械系统,5.3 成型系统,（2）挤出机构
10、2）驱动机构分析 平带式 主动轮通过平带带动从动轮旋转，二者转速相同。两条平带通过一对从动轮和两组压轮压紧，丝材被两条平带夹紧。夹紧的平带带动丝材实现进给运动。,5.3.1 机械系统,5.3 成型系统,（2）挤出机构 2）驱动机构分析 齿轮式 齿轮式驱动是将齿轮作为驱动轮。轮齿起到增大摩擦力的作用。驱动轮表面粗糙度增加，从而提高了整体摩擦系数，提升了驱动摩擦力。同时，由于表面粗糙度大，提高了丝材的抓取推送能力，有利于进丝送丝。,5.3.1 机械系统,5.3 成型系统,（2）挤出机构 3）驱动轮压紧机构分析 固定间距式 固定间距式压紧装置的驱动机构的主动轮与从动轮的位置均处于固定状态，由驱动电机
11、为主动轮提供驱动力，料丝在这两轮的摩擦力推动下实现运动。,5.3.1 机械系统,5.3 成型系统,（2）挤出机构 3）驱动轮压紧机构分析 弹簧可调节式 弹簧可调节式将主动轮固定，从动轮的位置可来回移动，并通过压力弹簧挤压从动轮使料丝压紧在两轮之间。,5.3.1 机械系统,5.3 成型系统,（2）挤出机构 3）驱动轮压紧机构分析 自适应式 自适应式将弹簧的位置进行了调整，使得空间得到充分的利用，其结构变得更加紧凑。,5.3.1 机械系统,5.3 成型系统,（3）喷头 理想的喷头应该满足以下要求：材料能够在恒温下连续稳定地挤出；材料挤出具有良好的开关响应特性以保证成型精度；材料挤出速度具有良好的实
12、时调节响应特性；挤出系统的体积和重量需限制在一定的范围内；足够的挤出能力。,5.3.1 机械系统,5.3 成型系统,（1）硬件系统 FDM系统硬件主要由计算机控制系统硬件、运动控制系统、送丝控制系统、温度控制系统及机床开关量控制系统5部分组成。,5.3.2 喷墨系统,5.3 成型系统,（2）软件系统 软件运行于两种运行环境：用户态和内核态。快速成型软件系统分三层结构。,5.3.2 喷墨系统,5.4 成型材料,成型材料：聚合物支撑材料：剥离性支撑 水溶性支撑,5.4 成型材料,5.4.1 成型材料,1.聚合物的物性分析 用聚合物材料的力学性质反映聚合物所处的物理状态，通常用热机械特性曲线，又称为
13、温度形变（或模量）曲线来表示。这种曲线显示出形变特征与聚合物所处的物理状态之间的关系。,5.4 成型材料,5.4.1 成型材料,2.聚合物的热物理性质（1）温度对粘度的影响 对于处于粘流温度以上的聚合物，热塑性聚合物熔体的粘度随温度升高而成指数的方式降低。（2）压力对粘度的影响 建立在聚合物熔体在较大压力作用下有一定的可压缩性的基础上。（3）剪切速率对粘度的影响 大多数聚合物熔体都表现为非牛顿型流动，其粘度对剪切速率有依赖性。,5.4 成型材料,5.4.1 成型材料,3.成型材料的性能要求（1）材料的流动性（2）材料的熔融温度（3）材料的机械性能（4）材料的收缩率（5）材料的粘结性（6）材料的
14、制丝要求（7）材料的吸湿性,5.4 成型材料,5.4.1 成型材料,4.成型材料的分类（1）ABS材料ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，是一种非结晶性材料。A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性；丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性；苯乙烯具有易加工、高光洁及高强度。,ABS-ESD材料ABSplus材料ABSi材料ABS-M30i材料高分子合金材料ABS/PA,5.4 成型材料,5.4.1 成型材料,4.成型材料的分类（2）PLA材料聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）又名
15、玉米淀粉树脂，是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源（如玉米）所提取出的淀粉原料制备而成，具有良好的生物可降解性。（3）聚碳酸酯材料聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）是一种20世纪50年代末期发展起来的无色高透明度的热塑性工程塑料。,5.4 成型材料,5.4.1 成型材料,4.成型材料的分类（4）聚亚苯基砜材料聚亚苯基砜（Polyphenylsulfone，PPSF/PPSU）材料是所有热塑性材料里面强度最高、耐热性最好、抗腐蚀性最高、韧性最强的材料。（5）聚醚酰亚胺材料美国通用公司当年销售的聚醚酰亚胺商品名为“ULTEM”，ULTEM树脂是一种无定形热塑性聚醚酰亚胺。,5.
16、4 成型材料,5.4.1 成型材料,4.成型材料的分类（6）低熔点合金材料低熔点合金通常指含有Bi、Sn、Pb、In等金属的二元、三元、四元等合金，低熔点合金又称“易熔合金”。（7）食用材料食品材料是指烹饪食物前所需要的一些东西。食品材料包含的东西很多，包括巧克力汁、面糊、奶酪、糖、水、酒精等。,5.4 成型材料,5.4.2支撑材料,为了便于支撑材料的去除，应保证：相对于成型材料各层间，支撑材料和成型材料之间形成相对较弱的粘结力。应保证支撑各层之间有一定的粘结强度，以避免脱层现象。,5.4 成型材料,5.4.2支撑材料,支撑材料和成型材料在对制丝要求、收缩率和吸湿性的要求一样，其他还需具备以下
17、方面的性能：,能承受一定高温与成型材料不粘结，便于剥离具有水溶性或者酸溶性流动性要好,5.5 成型影响因素,按照误差产生的来源可分为原理性误差、工艺性误差和后处理误差。,5.5 成型影响因素,1.STL文件转换误差,一般可通过增加三角形面片的数量来提高拟合精度，其几何误差常用弦高来控制，弦高指的是近似三角形外轮廓边与曲面之间的径向距离。,5.5.1原理性误差,5.5 成型影响因素,2.切片分层引起的误差,分层切片是指对三维CAD模型进行叠层方向（一般为Z方向）的离散化处理。分层方向误差假设分层厚度为t，制件的成型方向尺寸为H,当H为t的整数倍时当H不是t的整数倍时,5.5.1原理性误差,5.5
18、 成型影响因素,2.切片分层引起的误差,台阶效应误差台阶效应误差是指原型件在逐层堆积过程中，其零件表面出现了一系列的阶梯，造成了实际成型件的尺寸与设计模型的尺寸产生误差。,5.5.1原理性误差,5.5 成型影响因素,3.成型系统引起的误差,成型系统引起的误差是指快速成型设备机械系统的误差。工作台误差工作台误差主要包括Z方向的运动误差和X-Y平面的误差。X-Y轴与导轨的垂直度误差定位误差,5.5.1原理性误差,5.5 成型影响因素,1.材料收缩引起的误差,（1）热收缩热收缩是材料因其固有的热膨胀率而产生的体积变化。热收缩会使零件的外轮廓向内偏移、内轮廓向外偏移。,5.5.2工艺性误差,5.5 成
19、型影响因素,1.材料收缩引起的误差,（2）分子取向收缩分子取向收缩是由高分子材料取向引起的固有的收缩。沿填充方向和成型方向上成型材料的收缩率分别为：,5.5.2工艺性误差,5.5 成型影响因素,2.成型工艺参数引起的误差,（1）挤丝宽度引起的误差熔融态丝材从喷嘴挤出时具有一定的宽度，导致填充零件轮廓路径时的实际轮廓线部分超出理想轮廓线。,5.5.2工艺性误差,5.5 成型影响因素,2.成型工艺参数引起的误差,等体积法当挤出速度较小时，挤出丝的截面形状可以简化成矩形区域：,5.5.2工艺性误差,当挤出速度较大时，挤出丝的截面形状为曲线区域、的总面积：,5.5 成型影响因素,2.成型工艺参数引起的
20、误差,等体积法当挤出速度较小时，挤出丝的截面形状可以简化成矩形区域：,5.5.2工艺性误差,当挤出速度较大时，挤出丝的截面形状为曲线区域、的总面积：,5.5 成型影响因素,2.成型工艺参数引起的误差,（2）挤出速度与填充速度的交互影响挤出速度是指丝料挤出的速度，填充速度是指喷头系统的坐标系运动速度。,5.5.2工艺性误差,丝材在挤出后随喷头运动时被拉成细丝线，甚至出现断丝现象，不能形成完整的丝，在成型件表面出现空缺。,能正常出丝，为适用的成型速度范围。,丝宽逐渐增加，出现丝材堆积，成型件边缘出现严重变形，多余的材料粘附在喷嘴上，由于喷嘴的高温引起“碳化”，影响进一步加工。,5.5 成型影响因素
21、,2.成型工艺参数引起的误差,（3）成型温度的影响喷头温度喷头温度会影响材料的粘结性能、沉积性能、流动性能和挤出丝宽等。成型室温度成型室温度或热床温度对成型过程中材料的内应力有大的影响。,5.5.2工艺性误差,5.5 成型影响因素,2.成型工艺参数引起的误差,（4）填充形式的影响单向填充一般沿着一个方向（X方向或Y方向）进行填充。该填充方式数据处理简单，但扫描短线较多，产生的延迟时间误差较大。,5.5.2工艺性误差,5.5 成型影响因素,2.成型工艺参数引起的误差,（4）填充形式的影响多向填充是指根据模型截面轮廓的形状，自动选择沿长边的方向填充。这种填充方式可以有效减小单向填充所造成的误差和改
22、善成型件的机械性能。,5.5.2工艺性误差,5.5 成型影响因素,2.成型工艺参数引起的误差,（4）填充形式的影响螺旋填充螺旋填充一般是从成型件中心向四周扩展。提高成型件成型过程中的热传递速度及成型件的机械性能，且扫描线较长，减小延迟时间误差，但轮廓信息丢失严重，精度较低。,5.5.2工艺性误差,5.5 成型影响因素,2.成型工艺参数引起的误差,（4）填充形式的影响偏置填充偏置填充是指按轮廓形状由外向内逐层的偏置进行扫描。可以使扫描线尽量长，从而减小延迟时间误差，但由于必须重复进行偏置环的计算，导致计算量较大，填充路径较复杂。,5.5.2工艺性误差,5.5 成型影响因素,2.成型工艺参数引起的
23、误差,（4）填充形式的影响偏置填充复合填充是指内部区域采用偏置填充，其他区域采用线性填充。这样可以在保证成型件表面精度的前提下，有效简化填充过程，提高成型效率。,5.5.2工艺性误差,5.5 成型影响因素,3.延迟时间误差,延迟时间是指由于送丝机构的机械滞后及材料的粘性滞后等原因导致的时间延迟，包括出丝延迟时间和断丝延迟时间。,5.5.2工艺性误差,5.5 成型影响因素,支撑材料的去除外界环境造成的误差成型件从成型系统取出后，由于周围环境温度、湿度等的变化，成型件会继续变形，造成误差。同时，由于在成型过程中成型件内部留有残余应力，也会使成型件在后续过程中发生变形。修补、打磨等造成的误差,5.5
24、.3后处理误差,5.6 典型应用,1.教育科研一些大学及高职院校可以通过3D打印机培养学生硬件设计、软件开发、电路设计、设备维护、三维建模等方面的能力。老师们也可以通过3D打印机打印教具，比如分子模型、数字模型、生物样本、物理模型等。,5.6 典型应用,2.汽车领域FDM主要的材料是工程材料，适合目前汽车行业塑料零部件使用，并趋向于选择各种新型的材料进行试制的需要。,5.6 典型应用,3.电子电器领域前电子电器零部件在向不同的方向发展，要求做到小型、质轻、耐高温，特殊场合需要减少静电的发生，因此FDM技术广泛用于电子元器件的装配夹具和辅助工具、电子消费品和包装行业。,5.6 典型应用,4.医疗
25、领域FDM技术中采用的聚乳酸，因其良好的生物材料的生物相容性、可降解性和材料自身的形状记忆功能，打印的心脏支架可有效克服金属支架需人工取出的缺陷。同时，FDM在骨科，如作为新型的骨科内固定材料如骨钉、骨板而被大量使用，其可被人体吸收代谢的特性使病人免受了二次开刀之苦。,5.6 典型应用,5.建筑领域Dimension SST1200es 3D打印系统采用ABSp1us材料通过熔融堆积的方式创建结构复杂的建筑模型，可百分百还原设计师的创意，大大缩短设计周期，提高设计保密性，同时降低建筑模型的制作成本。,5.6 典型应用,6.航空航天美国弗吉尼亚大学工程师大卫舍弗尔和工程系学生史蒂芬伊丝特与乔纳森
26、图曼共同研制出一架利用FDM技术打印而成的无人飞机。这个飞机使用的原料是ABSp1us塑料，它的机翼宽6.5英尺（约1.98米），由打印零件装配构成，该架3D打印的飞机模型可用于教学和测试。,5.6 典型应用,7.生活艺术艺术品是根据设计者的灵感，构思设计加工出来的。随着计算机技术的发展，新一代的艺术家及设计师，不需要整天埋头于工作间去亲手制造艺术作品。他们现在可以安坐于家中，用CAD软件创造出心目中的艺术品，然后再以3D打印技术把艺术品一次性打印出来，可以极大地简化艺术创作和制造过程，降低成本，更快地推出新作品。,思考题,1、简述FDM的成型原理。2、简述FDM的优缺点。3、简述FDM成型系统的组成。4、FDM对成型材料和支撑材料的性能要求有哪些？5、FDM成型质量的影响因素有哪些？6、简述FDM常用的后处理方法。,第5章 熔融沉积成型工艺及材料,
