第3讲 桌面级打印机的工作原理

介绍熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点、熔融沉积快速成型材料及设备、典型工艺运行成本的比较等几个方面的基本知识。

1.熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点

u熔融沉积快速成型(Fused Deposition ModelingFDM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方法。

u该工艺方法以美国Stratasys公司开发的FDM制造系统的应用最为广泛。该公司自1993年开发出第一台FDM1650机型后,先后推出了FDM2000FDM3000FDM80001998年推出的引人注目的FDMQuantum机型,FDMQuantum机型的最大造型体积达到600mm×500mm×600mm

u此外,该公司推出的Dimension系列小型FDM三维打印设备得到市场的广泛认可,仅2005年的销量就突破了1000台。国内的清华大学与北京殷华公司也较早地进行了FDM工艺商品化系统的研制工作,并推出熔融挤压制造设备MEM250等。

熔融沉积Fused Deposition Modeling,FDM)又叫熔丝沉积,它是将丝状的热熔性材料加热熔化,通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来,如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度,而成型部分的温度稍低于固化温度,就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后,随即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后,工作台按预定的增量下降一个层的厚度,再继续熔喷沉积,直至完成整个实体造型。如下图所示。

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熔融沉积快速成型工艺在原型制作时需要同时制作支撑,为了节省材料成本和提高沉积效率,新型FDM设备采用了双喷头,如图所示。一个喷头用于沉积模型材料,一个喷头用于沉积支撑材料。双喷头的优点除了沉积过程中具有较高的沉积效率降低模型制作成本以外,还可以灵活地选择具有特殊性能的支撑材料,以便于后处理过程中支撑材料的去除,如水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等。

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优点:

系统构造和原理简单,运行维护费用低(无激光器

原材料无毒,适宜在办公环境安装使用

用蜡成形的零件原型,可以直接用于失蜡铸造

可以成型任意复杂程度的零件

无化学变化,制件的翘曲变形小

原材料利用率高,且材料寿命长

◎ 支撑去除简单,无需化学清洗,分离容易

◎ 可直接制作彩色原型

缺点:

◎ 成型件表面有较明显条纹 

 

 

沿成型轴垂直方向的强度比较弱

◎ 需要设计与制作支撑结构 

 

原材料价格昂贵

需要对整个截面进行扫描涂覆,成形时间较长


2.熔融沉积快速成型材料及设备

熔融沉积快速成型制造技术的关键在于热融喷头,喷头温度的控制要求使材料挤出时既保持一定的形状又有良好的粘结性能。除了热熔喷头以外,成型材料的相关特性(如材料的粘度熔融温度粘结性以及收缩率等)也是该工艺应用过程中的关键。

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。

v熔融沉积快速成型工艺对原型材料的要求:

F材料的粘度

材料的粘度低、流动性好,阻力就小,有助于材料顺利挤出。材料的流动性差,需要很大的送丝压力才能挤出,会增加喷头的启停响应时间,从而影响成型精度。

F材料熔融温度

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。可以减少材料在挤出前后的温差,减少热应力,从而提高原型的精度。

F材料的粘结性 

FDM工艺是基于分层制造的一种工艺,层与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型以后的强度。粘结性过低,有时在成型过程中因热应力会造成层与层之间的开裂。

F材料的收缩率 

由于挤出时,喷头内部需要保持一定的压力才能将材料顺利挤出,挤出后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,会造成喷头挤出的材料丝直径与喷嘴的名义直径相差太大,影响材料的成型精度。FDM成型材料的收缩率对温度不能太敏感,否则会产生零件翘曲、开裂。

由以上材料特性对FDM工艺实施的影响来看,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。

F能承受一定高温度

由于支撑材料要与成型材料在支撑面上接触,所以支撑材料必须能够承受成型材料的高温,在此温度下不产生分解与融化。

F与成型材料不浸润,便于后处理

支撑材料是加工中采取的辅助手段,在加工完毕后必须去除,所以支撑材料与成型材料的亲和性不应太好。

F具有水溶性或者酸溶性

对于具有很复杂的内腔、孔等原型,为了便于后处理,可通过支撑材料在某种液体里溶解而去支撑。由于现在FDM使用的成型材料一般是ABS工程塑料,该材料一般可以溶解在有机溶剂中,所以不能使用有机溶剂。目前已开发出水溶性支撑材料。

F具有较低的熔融温度

具有较低的熔融温度可以使材料在较低的温度挤出,提高喷头的使用寿命。

F流动性要好

由于支撑材料的成型精度要求不高,为了提高机器的扫描速度,要求支撑材料具有很好的流动性,相对而言,对于粘性可以差一些。

 

FDM工艺对支撑材料的要求是能够承受一定的高温与成型材料不浸润具有水溶性或者酸溶性具有较低的熔融温度流动性要特别好等。

第3讲 桌面级打印机的工作原理

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3.典型工艺运行成本的比较

快速成形设备运行的费用主要有激光器每小时损耗、材料每小时用量、耗电量费用、设备折旧费、房租、水电、人员工资这几部分组成。

而耗电量为每小时1.6元,在此我们忽略不计,设备折旧费、房租、水电、人员工资均由各单位自己制定,只比较材料每小时费用和激光器每小时损耗折损费用即可反映各种典型工艺运行的成本优劣势。

按照每小时计算费用比较,请见下图。

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4.在各行业领域中的应用

1、汽车制造业中的应用

某汽车生产厂由于车型的变化要求,一些零件需要快速制作出来,验证其设计的合理性。而快速成形技术可以在零件设计出来后短时间内制作出可以装配、有一定功能性的快速成形产品。

另外,如果直接将三维立体图形投入实体生产,这样产品被市场认可的风险是很大的,而MEM工艺可以解决这一问题。

例如空调罩产品在招标过程中,可以利用样品参加,减少了招投标成本。

2、家电产品中的应用

电动工具与家电产品的外形设计,是这类产品是否具有市场竞争力的重要方面。快速成形技术可以协助工业产品设计师及时修改设计方案,有效地争夺设计时间,为企业快速占领市场提供了先决条件。

3、工艺品中的应用

快速成形技术可以使得工业设计更加方便、快捷、准确。将设计师的设计意图表达在快速成型模型中了短时间内验证设计理念的合理性和可行性。

4、仿古建筑领域中的应用

我国古代的许多建筑都具有浓厚的历史文化气息;

越来越受到人们的喜爱,将古建筑制作成精致的模型;

作为工艺品来欣赏,通过MEM技术就可以方便地实现。

我们可以通过反求工程得到建筑物的三维CAD模型,将其输入快速成形系统,由数据处理软件进行零件信息处理和工艺规划,然后自动生成数控代码控制成形模型。这样,古建筑的历史文化信息就浓缩在了精美的模型中了。

5、医学领域中的应用

某公司曾经与医院进行了很好合作,在颌面骨修复手术中,快速成形技术帮助医生准确确定面部创伤的位置、创伤的面积,以保证手术安全快速的完成。另外,某公司协助军区总医院做的脊椎骨、连体婴儿的手术也非常的成功。

6、考古中的应用

在考古工作中,也做出了巨大的贡献,某公司的工艺曾在中科院鹤骨研究项目中;

发挥了重要作用,很好的服务了考古工作的展开。下面是大家非常熟悉的一副画面。

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7、铸造领域的应用

 

由于MEM工艺所采用的材料熔点低;

在制作好的模型表面挂上陶瓷浆料;

进行高温焙烧,在700-800摄氏度左右ABS材料会完全气化挥发,获得的陶瓷型腔可用于金属浇注,从而可获得金属件的快速制造。

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由于熔融挤压快速成形工艺具有的显著优点,该工艺发展极为迅速。MEM设备未来将向桌面化发展,在金属零件直接快速制造中也会得到越 

来越多的应用,另外,快速制造技术与传统工业 

、快速制造与微纳制造、快速制造与生物医学制 

造领域的结合应用将更加的普及和深入。

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原文始发于微信公众号(

3D打印机组装与调试

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