熔融沉積快速成型的工藝分析

董海濤

(山西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長治 046011)

熔融沉積快速成型法(Fused Deposition Modeling，簡稱FDM)，是快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping，簡稱RP)中的一種典型的成形方法。快速成形技術(shù)采用離散和堆積的原理［1］，與傳統(tǒng)制造方法有著本質(zhì)的區(qū)別，近年來這種綠色的三維打印方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車、武器、家電產(chǎn)品及模具制造等領(lǐng)域。

1 FDM工藝原理與工藝特點

1.1 工藝原理

熔融沉積又叫熔絲沉積、熔化堆積法［2］，它是將絲狀的熱熔性材料加熱熔化，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠壓出來［3］。熔融沉積成型工藝的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料，絲狀熱塑性材料或其他熱塑性材料由供絲機構(gòu)送進噴頭，在噴頭中加熱到熔融態(tài)，或在壓力容器加熱，經(jīng)噴嘴擠出;熔融態(tài)的絲狀材料被擠壓出來，按照計算機給出的截面輪廓信息，隨噴頭的運動，選擇性地涂覆在工作臺的制件基座上，并快速冷卻固化;一層完成后噴頭上升(或工作臺下降)一個層高，再進行下一層的涂覆，如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品［4］。

1.2 工藝特點

(1)該工藝不使用激光，維護簡單，成本低;(2)選用絲材清潔，不會在設(shè)備中或附近形成粉末或液體污染，易于更換、保存;(3)后處理簡單，僅需要幾分鐘時間可以剝離支撐，原型即可使用;(4)成型速度較快，一般較高的成型速度可以達到30～80 cm3/h。

2 FDM雙噴頭工藝設(shè)備

熔融沉積快速成型工藝在原型制作時需要同時制作支撐，為了節(jié)省材料成本和提高沉積效率，新型FDM設(shè)備采用了雙噴頭，雙噴頭原理圖如圖1所示。一個噴頭負責(zé)逐層噴堆原型，另一個噴頭負責(zé)噴堆支撐，支撐是為了支撐原型懸空部分，可選用比較廉價的材料［5］，防止原型因自重而變形。以下實驗描述以北京殷華公司MEM300FDM成型機為例，如圖2。

3 FDM的支撐設(shè)計

3.1 設(shè)計支撐的原因

FDM成形中，每一個層片都是在上一層上堆積而成，上一層對當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會發(fā)生變化，當(dāng)形狀發(fā)生較大的變化時，上層輪廓就不能給當(dāng)前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設(shè)計一些輔助結(jié)構(gòu)——“支撐”，以保證成形過程的順利實現(xiàn)。

3.2 支撐的種類

FDM技術(shù)提供兩種類型的支撐:

(1)Water Works(水溶性支撐):可以分解于堿性水溶劑的可溶解性支撐結(jié)構(gòu);

(2)Break Away Support Structure(BASS)(易剝離性支撐):水溶性支撐的前身，由手工將支撐從工件表面剝離以移除。

水溶性支撐因為可以不用考慮機械式的移除，所以可以接近于細小的特征，因而用得更廣泛。

3.3 支撐的實現(xiàn)

根據(jù)STL文件判斷成形過程所需要的支撐，由計算機設(shè)計出支撐結(jié)構(gòu)，然后對STL格式文件分層切片，最后根據(jù)每一層的填充路徑，將信息輸給成形系統(tǒng)完成模型的成形。

4 FDM工藝過程

4.1 啟動Aurora軟件

Aurora軟件是快速成型軟件，它輸入STL模型，進行分層等處理后輸出到快速原型系統(tǒng)，可以方便快捷地得到模型原型。

4.2 載入三維模型(STL文件)

STL格式是快速成型領(lǐng)域的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有的CAD系統(tǒng)都支持該格式，如UG、Pro/E、Auto-CAD、SolidWorks等，在CAD系統(tǒng)或反求系統(tǒng)中得到零件三維模型后，可將其以STL格式輸出［6］至Aurora軟件，載入STL文件后，系統(tǒng)開始讀入STL模型，并在最下端的狀態(tài)條顯示已讀入的面片數(shù)和頂點數(shù)。讀入模型后，系統(tǒng)自動更新，顯示STL模型。通過軟件中的三維模型操作，即坐標(biāo)變換、模型分割、分解、合并和排樣等命令對載入的三維模型進行變換和布局。

4.3 選擇分層參數(shù)進行分層

對已經(jīng)布局好的三維模型進行分層，分層參數(shù)包括分層、路徑和支撐，大部分參數(shù)已經(jīng)固化在快速成型系統(tǒng)中，用戶只需根據(jù)噴嘴大小和成型要求選擇合適的參數(shù)集即可，一般無需對預(yù)設(shè)參數(shù)進行修改，分層后保存CLI文件。

4.4 打印模型

載入二維層片模型(CLI模型)，CLI模型包括輪廓、填充和支撐3部分，可一次載入多個，但模型的層厚必須一致，設(shè)定定型位置，然后打印。

4.5 后處理

打印完成，工作臺下降，取出模型，然后對模型支撐部分進行剝離，對幾部分分割成型的零件進行粘結(jié)。

5 FDM工藝優(yōu)化

判斷FDM工藝是否更合理，應(yīng)該根據(jù)打印后模型外形和精度是否符合要求、支撐是否容易剝離、打印時間長短等方面來判斷，這些結(jié)果和模型的成型方向布置、分割和組合有很大的關(guān)系。如圖3所示模型為一個塑料可樂瓶的三維模型，這個瓶子用熔融沉積快速原型機打印，有很多種布置方法。如圖4和圖5，這兩種方法是整個瓶子打印沒有分割，這種整體打印的方法得到的模型外觀比較完整。但是瓶子是屬于垂直方向較高的例子，圖4和圖5的布置容易造成零件變形，圖4的布置支撐比圖5的布置少很多，圖5比較浪費材料，瓶子內(nèi)部支撐也比較難剝離，而且打印時間較長，但是圖4瓶底與支撐剝離時容易有毛刺，表面質(zhì)量要差一些;圖6把瓶子分割為3部分打印，而且瓶底朝下布置，這樣有利于防止變形，支撐也比較少，這樣的布置對于垂直方向高的零件比較適合;圖7是把瓶子從中間剖開打印，刻意一個朝上，一個朝下放置，這樣的結(jié)果，一個支撐用的較多，一個表面剝離時容易損壞，這樣的形狀采用這種布置不是太合適。

模型的布置直接影響到模型的質(zhì)量和打印效率，不同形狀和要求有不同的布置方法，根據(jù)實驗研究，一般成型方向的原則總結(jié)如下:

(1)不同表面的成型質(zhì)量不同，上表面好于下表面，水平面好于垂直面，垂直面好于斜面;(2)水平方向的強度高于垂直方向的強度;(3)有平面的模型，以平行和垂直大部分平面的方向擺放;(4)選擇重要的表面作為上表面;(5)減少支撐面積，降低支撐高度;(6)如果有較小直徑(小于10 mm)的立柱、內(nèi)孔等特征，盡量選擇垂直方向成型;(7)避免出現(xiàn)投影面積小、高度高的支撐面出現(xiàn)。

6 結(jié)語

熔融沉積快速成型法作為一種快速綠色制造法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，它大大縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)和上市周期，但是它的成型質(zhì)量和成型效率還有待進一步研究和提高。目前，快速成型技術(shù)引起很多科研人員的重視，已經(jīng)成為產(chǎn)品開發(fā)和模具制造方面的一個熱點，不久之后，這種技術(shù)將會有更大的突破和提高，為現(xiàn)代化制造提供更多有利的成果。

［1］劉洪軍，李亞敏，曹池.快速模具制造技術(shù)分析與發(fā)展趨勢［J］.模具工業(yè)，2010，36(3):63 －66.

［2］余東滿，李曉靜，黃建娜，等.基于快速成型的快速模具制造工藝分析［J］.新技術(shù)新工藝，2010(12):5 －8.

［3］王明娣，芮延年.快速成型技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用［J］.蘇州大學(xué)學(xué)報:工科版，2004(10):66 －69.

［4］袁小江.模具制造工藝［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011:151－158.

［5］眭潤舟.快速原型技術(shù)及模具［J］.制造現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2000(2):31－33.

［6］余東滿，李曉靜，王笛.熔融沉積快速成型的工藝過程分析及應(yīng)用［J］.機械制造與應(yīng)用，2011(8):65 －67.