loadingFDM快速成型技术
摘要：随着RP行业的迅速发展，FDM快速成型技术在快速成型制造领域中的作用日趋重要，本文重点阐述了FDM快速成型技术的工作原理，工艺特点，应用领域及未来的发展趋势。 关键词：FDM快速成型 工作原理 工艺 应用
1. 引言
目前，快速成型(Rapid Prototyping, RP)技术作为研究和开发新产品的有力手段已发展成为一项高新制造技术中的新兴产业。RP由CAD模型直接驱动，快速地生产出复杂的三维实体样件或零件
[1~2]
。RP技术从产生到现在已有10多年历史，并正以35%的年增长率发展着[3]。熔融沉积快速成型
（FDM）是继光固化快速成型和叠层实体快速成型工艺后的另一种应用比较广泛的快速成型工艺。FDM技术将ABS，PC，PPSF以及其它热塑性材料挤压成为半熔融状态的细丝，由沉积在层层堆叠基础上的方式，从 3D CAD资料直接建构原型。该技术通常应用于塑型，装配，功能性测试以及概念设计。此外，FDM技术可以应用于打样与快速制造。该工艺方法以美国STRATASYS公司开发的FDM制造系统应用最为广泛。在2004年，STRATASYS 公司的 FDM 快速成型机系列占全球市场 48.5%。北京航空工艺研究所现拥有一台多功能快速成型机，能完成LOM（叠层实体制造），FDM（熔融沉积制造）和SLS（选择性激光烧结）3种工艺，FDM制件精度可达?0.15mm。
2. FDM工作原理
2.1 FDM快速成型的原理
熔融沉积制造法(FDM)快速成型技术的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。
如果根据STL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支撑，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。最后对其进行表面处理。FDM的成型流程图如图2-1所示。
2.2 FDM机械系统的工艺原理
FDM机械系统主要包括喷头、送丝机构、运动机构、加热工作室、工作台5个部分(如图2-2所示)。将低熔点丝状材料通过加热器的挤压头熔化成液体，使熔化的热塑材料丝（熔模铸造蜡丝的熔融温度为74℃，机加工蜡丝的熔融温度为96℃，聚烯烃树脂丝为106℃，聚酰胺丝为155℃，ABS塑料丝为270℃）通过喷头挤出，挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上，并在1/10s内迅速凝固，每完成一层成型，工作台（主要由台面和泡沫垫板组成）便下降一层高度[4]，喷头再进行下一层截面的扫描喷丝，如此反复逐层沉积，直到最后一层，这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件[5]。FDM
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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。支撑可以用同一种材料建造，现在一般都采用双喷头独立加热，一个用来喷模型材料制造零件，另一个用来喷支撑材料做支撑,两种材料的特性不同，制作完毕后去除支撑相当容易。送丝机构为喷头输送原料，送丝要求平稳可靠。原料丝一般直径为1～2 mm，而喷嘴直径只有0.2～0.3 mm左右，这个差别保证了喷头内一定的压力和熔融后的原料能以一定的速度(必须与喷头扫描速度相匹配)被挤出成型。送丝机构和喷头采用推-拉相结合的方式，以保证送丝稳定可靠，避免断丝或积瘤。运动机构包括x、y、z三个轴的运动。快速成型技术的原理是把任意复杂的三维零件转化为平面图形的堆积，因此不再要求机床进行三轴及三轴以上的联动，大大简化了机床的运动控制，只要能完成二轴联动就可以了。x、y轴的联动扫描完成FDM工艺喷头对截面轮廓的平面扫描，z轴则带动工作台实现高度方向的进给。加热熔化膛用来给成型过程提供一个恒温环境。由于熔融状态的丝挤出成型后如果骤然受到冷却，容易造成翘曲和开裂，所以FDM工艺要求环境温度要适宜。其主要缺点是不能制作悬臂零件[6~7]。最后对其进行处理，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。
建立三维实体模型 STL文件数据转换 分层切片 加入支撑 熔融沉积成型 三维模型 表面处理 图2-1 FDM成型流程图 图2-2 FDM系统模型图
3. FDM快速成型工艺的特点
3.1 FDM成型材料的选择
熔融沉积工艺使用的材料分为两部分：一类是成型材料，另一类是支撑材料。 FDM工艺对成型材料的要求是熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小。
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FDM工艺对支撑材料的要求是能承受一定高温，与成型材料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、熔融温度较低、流动性好。
3.2 FDM工艺的优缺点
FDM快速成型工艺的优点
（1）成本低。熔融沉积造型技术用液化器代替了激光器，设备费用低；另外原材料的利用效率高且没有毒气或化学物质的污染，使得成型成本大大降低。
（2）采用水溶性支撑材料，使得去除支架结构简单易行，可快速构建复杂的内腔、中空零件以 及一次成型的装配结构件。
（3）原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。
（4）可选用多种材料，如各种色彩的工程塑料ABS、PC、PPS以及医用ABS等。 （5）原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。 （6）用蜡成型的原型零件，可以直接用于熔模铸造。
（7）FDM 系统无毒性且不产生异味、粉尘、噪音等污染。不用花钱建立与维护专用场地，适合于办公室设计环境使用。
（8）材料强度、韧性优良，可以装配进行功能测试。 FDM成型工艺与其它快速成型工艺相比，也存在着许多缺点： （1）原型的表面有较明显的条纹。 （2）与截面垂直的方向强度小。 （3）需要设计和制作支撑结构。
（4）成型速度相对较慢，不适合构建大型零件。 （5）原材料价格昂贵。
（6）喷头容易发生堵塞，不便维护。
3.3 FDM与其它工艺的比较
将FDM与SLA、LOM、SLS、FDM快速成型工艺的指标如成型速度，精度，制造成本，复杂程度，零件大小等方面的比较情况如表3-1所示，将FDM与SLA、SLS设备、成本，操作难易，材料种类，性能及生产应用等特性的比较如表3-2所示。
表3-1 FDM工艺与其它几种快速成型工艺方法的比较
指标 成型速度 原型精度 制造成本 复杂程度 零件大小 常用材料
SLA 较快 高 较高 复杂 中小件 热固性光敏树脂等
表3-2 FDM工艺方法与其SLA、SLS若干特性的比较
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LOM 快 较高 低 简单 中大件 纸、金属箔、塑料薄膜等
SLS 较慢 较低 较低 复杂 中小件 石蜡、塑料、金
FDM 较慢 较低 较低 中等 中小件 石蜡、尼龙、ABS、
属、陶瓷等粉末 低熔点金属等