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对立干货 | 3D打印FDM技术详松


  你拿着壹根牙膏,牙膏暖和的发火烫,你把它壹挤出产到来就会立雕刻凝结。你把此雕刻根牙膏头朝下拿着,在壹个程度面上边挤边程度标注的目的移触动,就跟写毛颖字似的,等你完成此雕刻个面上的工干后,此雕刻个平面忽然往下投降了壹点,你接着又在第二个平面上挤牙膏,你挤出产到来的牙膏和之前的牙膏粘在壹道,你时时的重骈以上经过,先挤出产的牙膏固募化,成为后挤出产牙膏的顶顶。此雕刻个坚硬是FDM!!!

  

  熔融堆FDM

  熔融堆又叫熔丝堆,它是将丝状暖和熔性材料加以暖和消融,经度过带拥有壹个纤微喷嘴的喷头挤喷出产到来。暖和熔材料消融后从喷嘴喷出产,堆在创造面板容许前壹层已固募化的材料上,温度低于固募化温度后末了尾固募化,经度过材料的层层堆结合终极产品。父亲致构造如次图所示[1]:

  

  

  在3D打印技术中,FDM的机械构造最骈杂,设计也最轻善,制形本钱、维养护本钱和材料本钱也最低,故此亦在家用的桌面级3D打印机中运用得至多的技术,而工业级FDM机具,首要以Stratasys公司产品为代表。

  FDM技术的优势在于创造骈杂,本钱昂贵,条是桌面级的FDM打印机,鉴于出产料构造骈杂,难以正确把持出产料样儿子与成型效实,同时温度关于FDM成型效实影响什分父亲,而桌面级FDM 3D打印机畅通日邑缺乏日温设备,故此基于FDM的桌面级3D打印机的产品稀度畅通日为0.3mm-0.2mm,微少半高端机型却以顶持0.1mm层厚,条是受温度影响什分父亲,产品效实依然不够摆荡。余外面,全片断FDM机型创造的产品边际邑拥有分层堆产生的“台阶效应”,较难到臻所见即所得的3D打印效实,因此在对稀度要寻求较高的快快成型范畴较微少采取FDM。

  FDM的工艺规律

  FDM熔融层积成型技术已由美国STRATASYS公司活界兴旺国度报户口了专利。其根本规律为FDM INSIGHT绵软件己触动将3D数模(由CATIA或UG、PRO-E等叁维设计绵软件违反掉落)分层,己触动生成每层的模具成型道路和必要的顶顶道路。材料的供应分为模具材料卷和顶顶材料卷。相应的暖和融头也分为模具材料喷头和顶顶材料喷头。暖和融头会把ABS材料加以暖和到220°C成熔融样儿子喷出产,鉴于成型室僵持70°C,该温度下熔融的ABS材料既然却以拥有壹定的活触动性又能保障很好的稀度。壹层成型完成后,机具工干台下投降壹个高(即分层厚度)又成型下壹层。如此直到工件完成[2]。

  

  熔融堆造型技术的加以工的每壹个产品,从最末的造型到终极的加以工完成首要阅历的经过如次[2]:

  (1)确立成型件的叁维CAD模具。鉴于叁维CAD模具数据是成型件的真实信息的杜撰描绘,它将干为快快成型体系的输入信息,因此在加以工之前要先使用计算机绵软件确立好成型件的叁维CAD模具。此雕刻种叁维模具却以经度过Solid Works ,Pro/E, UG等绵软件到来完成,同时此雕刻些绵软件邑具拥有很好的畅通用性。

  (2)叁维CAD模具的相附近理。鉴于要成型的洞件畅通日邑具拥有比较骈杂的曲面,为了便于后续的数据处理和减小计算量,我们比值先要对叁维CAD模具终止相附近理。在此雕刻边我们采取STL程式文件对模具终止相附近理,它的规律是用很多的小叁角形平面到来顶替原到来的面,相当于将原到来的所拥有面终止量募化处理,然后用叁角形的法向量以及它的叁个极限背靠标注对每个叁角形终止独壹标注识,却以经度过把持和选择小叁角形的尺寸到来到臻我们所需寻求的稀度要寻求。鉴于生成STL程式文件便宜、快捷,且数据存放储便宜,当前此雕刻种文件程式己己经在快快成型创造经过中违反掉落了普遍的运用。同时计算机辅弼设计绵软件均具拥有输入和替换此雕刻种程式文件的干用,此雕刻也加以快了该数据程式的运用和普及。

  (3)叁维CAD模具数据的切片处理。快快成型还愿完成的是每壹层的加以工,然后工干台或打印头突发相应的位置调理,进而完成层层堆。故此想要违反掉落打印头的每层行走轨迹,将得到每层的数据。故对相附近理后的模具终止切片处理,提出产每层的截面信息,生成据文件,又将数据文件带入到快快成型机中。切片时切片的层厚越小,成型件的品质越高,但加以工效力变低,反之则成型品质低,加以工效力提高。

  (4)还愿加以工成型快快成型机在数据文件的把持下,打印头依照所得到的每层数据信息逐层扫描,壹层壹层的堆,终极完成整顿个成型件的加以工。

  (5)成型件的后处理从打印机中取出产的成型件,还要终止去顶顶、打磨、抛光等处理,进壹步提高打印的成型品质。

  

  FDM切磋即兴状

  当前海外面切磋此雕刻种工艺的公司首要拥有MakerBot公司、Stratasys公司、3D Systems公司、以色列的Object公司等。就中Stratasys公司处于指带者的位置,在1993年就铰出产了世界上第壹台商募化机型FDM-16_50快快成型机,以后又铰出产了该型号的系列产品。

  

  MakerBot公司干为即兴今团弄体级3D打印设备的领衔羊企业,采取的技术是根据计算机中的当空扫描图,在塑料薄层上喷涂原材料,层层粘包堆,结合成型稀度很高的叁维模具。其皓星产品Replicator 2在度过去曾经被累次选为全球最佳桌面3D打印机,其在把持、算法和材料等方面的优势,相较于前几代是庞父亲的。之后2014年铰出产其第五代产品。条是其销量邑不尽人意。不外面到当前为止,MakerBot依陈旧在团弄体级3D打印设备占据注要紧的位置。

  

  Stratasys公司是壹家尽先先的3D打印机的创造商和快快原型设计和创造运用消费体系的供应商。该公司的专利带拥有FDM(R)和PolyJet(R)(即直接从3D CAD文件消费原型和制产品工艺),及其它3D打印拥关于的技术。体系带拥有经济实惠的用于概念设计的桌面3D打印机,壹系列的原型机创造体系,和直接数字募化创造的父亲型消费体系。3D打印材料超越130种,是同性业内3D打印材料种类至多的公司,带拥有超越120种专拥局部喷墨基感光凑合材料和10个专拥局部基于FDM的暖和塑性材料。Stratasys公司还消费Solidscape 3D打印机和经纪红眼(RedEye)按需数字创造效力动。以色列的Object公司干为世界超薄层厚光敏树脂放射成型技术的指带者,发皓了ObietPolvJetMatrix技术,完成了不一模具材料同时放射的技术,材料运用的是ABS与暖和塑性塑料的混合,首要产品拥有Dimension 1200es。据报道称此雕刻两家公司在2012年的时分侵犯,新的公司以Stratasys的名字持续运营。

  

  3D systems 是SLA(Stereolithography)技术的发皓者,同时亦.STL文件程式的专利拥拥有者,并拥拥有选择性激光烧结——SLS,多喷建模(Multi-jet Modeling)和膜转印成像(film transfer imaging)等技术。在基于FDM工艺的产品中,3D Systems公司铰出产团弄体家用的3D打印机Cube系列,以其信善性和高牢靠性著称,运用的打印材料为ABS和PLA。

  

  国际的科研技术人员己20世纪90年代初期才末了尾进入到快快成型技术的切磋中。固然我们也拥有了20积年的展开,但当前我国在RP技术方面的程度根本上处于向海外面上进的技术和工艺念书的阶段,国际也拥有壹些拥有主力的父亲学和科研院所也末了尾动顺手于相干花样翻新工艺的开辟和切磋。譬如,国度863项目中就拥有此雕刻壹技术展开分顶,中国迷信院沈阳己触动募化所坚硬是基于国度立项的顶持,终止了拥关于成型材料(金属材料、异质材料、纳米晶陶瓷材料等)方面的切磋,当前己己得到了壹定的效实。清华父亲学终止了熔融堆造型、光固募化平面造型、分层实体造型等快快成型技术的切磋工干,各种成型工艺邑己己铰出产了比较熟的产品,并在此基础上成研制出产了多干用运用的快快成型设备。余外面,华南理工父亲学、华中科技父亲学、南昌父亲学、正西服置提交畅通父亲学、上海提交畅通父亲学、浙江父亲学等也展开了FDM技术的切磋工干。

  FDM技术的优缺隐及改革方法

  FDM的优点[3]:

  1、 创造体系却用于办公环境,没拥有拥有毒气或募化学物质的风险。

  2、 却快快构建瓶状或中空洞件。

  3、 塑材丝材清洁,更换轻善:与其他运用粉末了和固态材料的工艺比较,丝材更其清洁,善于更换、管,不会在设备中或左近结合粉末了或固态垢染。

  4、 不运用激光,维养护骈杂,本钱低:标价是成型工艺能否适于叁维打印的壹个要紧要斋。多用于概念设计的叁维打印机对原型稀度和物理募化学特点要寻求不高,低廉的标价是其能否铰行开到来的决议性要斋。

  5、 却选用多种材料,如却染的ABS和医用ABS、PC、PPSF等。

  6、 后处理骈杂:但需寻求几分钟到壹雕刻钟的时间,剥退顶顶后原型即却运用。

  FDM的缺隐[3-4]:

  FDM型3D打印机固然经度过了几什年的展开同时违反掉落普遍的运用,但它仍存放在很多缺乏之处,譬如成型稀度低、打印快度缓、智能募化程度低以及运用的原材料拥有诸多限度局限等。

  缺隐壹:成型稀度低与打印快度缓。此雕刻是FDM型3D打印机的首要限度局限要斋,条是,鉴于成型稀度和打印效力呈正比相干,即迅快打印得到低稀度产品,低快打印得到高稀度产品,壹味地追寻求高稀度将使打印快度父亲幅度投降低,此雕刻并不是工业范畴所期望的。故此,要处理稀度低与快度缓的效实,必需要使两者均违反掉落趾够的关怀,此雕刻,我们却以使新技术兼容和禀接老技术,即增材创造结合切增添材创造技术,详细到来说,坚硬是把传统切削加以工运用到3D打印成型经过中,采取低稀度的打印工艺,保障成型快度,然后用去摒除材料的主意到来保障成型稀度。

  缺隐二:把持体系智能募化程度低。固然采取FDM 技术的3D打印机操干对立骈杂,但在成型经过中,仍会出产即兴效实,此雕刻就需寻求拥有厚墩墩阅历的技术人员操干机具,以天天不清雅察成型样儿子,鉴于当成型经过中出产即兴非日时,即兴拥有体系无法终止识佩,也不能己触动调理,假设不去人工干涉,将形成无法持续打印或将缺隐剩在工件里,此雕刻壹操干上的限度局限将影响3D打印的普及性。故此,3D打印机灵能募化什分要紧,“智能识佩和反应干用”将是当前3D打印体系如饥如渴需寻求的,却以经度过绵软件的开辟让3D打印机具拥有己念书干用,终极完成3D打印机向“3D打印机具人”的转变。

  缺隐叁:打印材料限度局限性较父亲。当前在打印材料方面存放在很多缺隐,根据前文拥关于材料的伸见,却以看出产材料种类和环保性方面存放在的效实正逐步处理,条是,仍拥有好多方面拥有待进壹步改革,譬如FDM用打印材料善受风潮、成型经过中和成型后存放在壹定的收收缩比值等。打印材料受风潮,将影响熔融后挤出产的顺顺手性,善招致喷头堵塞塞,不顺溜于工件的成型,故此,用于FDM的打印材料要稠密查封贮放,运用时要终止适当的烘干处理;塑性材料在熔融后凝结的经过中,均存放在收收缩性,此雕刻会形成的效实首要是打印经过中工件的翘曲或洞落和打印完成后工件的变形,影响加以工稀度,芡费打印材料,改革方法首要是选用收收缩比值低的材料、采取日温舱等。

  FDM用成型材料

  FDM打印材料普畅通是暖和塑性材料,如蜡、ABS、PC、尼龙等,以丝状供料(卷轴丝),材料本钱低。与其他运用粉末了和固态材料的工艺比较,丝材更皓净,善于更换、管,不会结合粉末了或气体垢染。FDM打印耗材对线丝的要寻求比较严峻,材料经度过齿轮卷进喷头,齿轮和永恒轮之间的距退是永恒的,若丝线太粗,则会形成无法递送丝或损变质递送丝机构,反之,丝线太细,递送丝机构会感应不到丝的存放在,故此要寻求丝材具拥有永恒的规格,分为直径1.75mm和3mm两种;FDM采暖和塑成型的方法,丝材要经受“气态-固态-气态”的转变,对材料的特点、成型温度、成型收收缩比值等拥有着特定的要寻求,此雕刻不单限度局限了所用材料的种类,也添加以了打印机的研急动度[5]。

  

  表1所示为当前运用较多的几种材料,从中却以看出产:不一的材料拥有着不一的成型温度、不一的收收缩比值以及不一的干用等。摒除了此雕刻些日用的材料外面,FDM运用的材料还拥有俗名聚纤维酯的PPSF/PPSU、 PEI塑料ULTEM9085以及水溶性材料,PPSF/PPSU是所拥有暖和塑性材料外面面强大度最高、耐暖和性最好、抗腐折本性最高的材料,呈琥珀色,暖和变形温度接近190℃;PEI塑料ULTEM9085强大度高、耐高温、抗腐折本,暖和变形温度150℃摆弄,收收缩比值但为0.1%~0.3%,摆荡性极好。

  ABS材料[6]。ABS是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,为五父亲分松树脂之壹,具拥有抗冲锋性、耐暖和性、耐高温性、耐募化学药品性及电气干用优秀,还具拥有善加以工、产品尺寸摆荡、外面表光泽性好等特点,轻善涂装、上色,还却以终止外面表喷镀金属、电镀、焊、暖和压和粘接等二次加以工,普遍运用于机械、汽车、电儿子电器、仪器仪表、纺织和修盖等工业范畴,是壹种用途极广的暖和塑性工程塑料。

  

  ABS材料

  干为壹种用途普遍的分松树脂,ABS标价首要影响要斋为国际原油标价,近期国际原油标价持续低迷,ABS标价也出产即兴下跌,2015年以后到ABS均价为12451元/吨,较2015年均价下跌14%,估计短期内ABS标价很难出产即兴下跌,从历年的情景看,ABS均价在15000元/吨摆弄。

  PC材料[6]。PC即聚碳酸酯,是分儿子链中含拥有碳酸酯基的高分儿子凑合物,根据酯基的构造却分为脂肪族、芬芳族、脂肪族-芬芳族等多种典型,具拥有高弹性系数、高冲锋强大度、运用温度范畴广、高透皓性及己在染性、成形收收缩比值低、尺寸装置宁性良好、耐疲乏动性佳、耐候性佳、电气特点优、无味无臭对人体拥损害适宜保健装置然等特点,却用于光盘、汽车、办公设备、箱体、包装、医药、照皓、薄膜等多个范畴。

  

  PC材料具拥有高弹性系数、高冲锋强大度、运用温度范畴广、高透皓性等特点

  

  PC材料的光盘

  跟遂产能的时时扩增,PC标价年来过到来尽体上呈下跌趋势,2015年以后到,鉴于下流需寻求的回暖,PC均价为19250元/吨,较上年同期下跌8%摆弄,从年来过到来的情景看,2010年以后到 PC均价为19650元/吨。

  PP材料[6]。PP即聚丙烯,是由丙烯凑合而制得的壹种暖和塑性树脂,其无毒、无味,稠密度小,强大度、方度、坚硬度耐暖和性均优于压服聚乙烯,却在100℃摆弄使 用。具拥有良好的介电干用和高频绝缘性且不受湿度影响,但高温时变脆,不耐磨、善老募化。适于创造普畅通机械洞件、耐腐折本洞件和绝缘洞件。微少见的酸、碱等无机溶剂对它信直不宗干用,却用于食具。

  

  PP材料无毒、无味、稠密度小,具拥有良好的介电干用和高频绝缘性

  2015年以后到,在国际原油标价持续低迷背景下,PP违反掉落本钱顶顶,标价拥有所下滑,2015年以后到均价为10196元/吨,较2014年均价下跌14%,统计露示,2006年以后到PP均价为12120元/吨。

  PLA材料[6]。PLA即聚乳酸,其暖和摆荡性好,拥有好的抗溶剂性,却用多种方法终止加以工,如挤压、纺丝、副轴弹奏伸,打针吹奏塑。由聚乳酸制成的产品摒除能生物投降松外面,生物相容性、光泽度、透皓性、顺手感和耐暖和性好,还具拥有壹定的耐菌性、阻燃性和抗紫外面性,故此用途什分普遍,却用干包装材料、纤维和匪织造物等,当前首要用于服装、工业和医疗保健等范畴。

  

  PLA材料暖和摆荡性好,拥有好的抗溶剂性

  当前PLA均价在 21000元/吨摆弄,其标价高于ABS、PC、PP等石募化道路工程塑料,缘由是聚乳酸原材料到来己于玉米等农干物生物发酵,本钱对立较高,也鉴于如此,其环境友朋程度较高。

  分松橡胶材料[6]。为了区佩于天然橡胶,壹致将用募化学方法人工分松的橡胶称为分松橡胶,却以拥有效补养偿天然橡胶产量缺乏的效实,分松橡胶普畅通在干用上不如天然橡胶片面,但它具拥有高弹性、绝缘性、气稠密性、耐油、耐高温或高温等干用,故此普遍运用于工农业、国备、提交畅通及日日生活中。

  

  顶顶材料。望文生义是在3D打印经过中对成型材料宗到顶顶干用的片断,在打印完成后,顶顶材料需寻求终止剥退,故此也要寻求其具拥有壹定的干用,当前采取的顶顶材料普畅通为水溶性材料,即在水中却以溶松,便宜剥退。详细特点要寻求如次表:

  FDM技术对顶顶材料的要寻求干用详细要寻求缘由耐温性耐高温鉴于顶顶材料要与成型材料在顶顶面上接触,因此顶顶材料必须却以接受成型材料的高温,在此温度下不产生分松与消融。与成型材料的亲和性与成型材料不浸润顶顶材料是加以工中采取的辅弼顺手眼,在加以工终了后必须摒除掉落,因此顶顶材料与成型材料的亲和性不该太好。

  溶松性具拥有水溶性容许酸溶性关于具拥有很骈杂的内腔、孔隙等原型,为了便于后处理,却经度过顶顶材料在某种气体里溶松而去顶顶。鉴于当今FDM运用的成型材料普畅通是ABS工程塑料,该材料普畅通却以溶松在无机溶剂中,因此不能运用无机溶剂。当前,已开收回水溶性顶顶材料。熔融温度低具拥有较低的熔融温度却以使材料在较低的温度挤出产,提高喷头的运用寿命。活触动性高鉴于顶顶材料的成型稀度要寻求不高,为了提高机具的扫描快度,要寻求顶顶材料具拥有很好的活触动性,对立而言,关于粘性却以差壹些。

  尽结宗到来,FDM对顶顶材料的详细要寻求是却以接受壹定的高温、与成型材料不浸润、具拥有水溶性容许酸溶性、具拥有较低的熔融温度、活触动性要好等。

  FDM的顺应范畴

  概念建模[5-7]

  此雕刻种工艺方法适宜于产品设计的概念建模以及产品的干用测试。鉴于甲基丙烯酸ABS (MOBS)材料具拥有很好的募化学摆荡性,却采取伽玛射线杀菌,特佩使用于医用。但成形稀度对立较低,不快宜于创造构造度过度骈杂的洞件。

  

  在产品设计评价与校审方面

  FDM技术却以将CAD的设计设想快快、正确、而又经济地生成却触摸的物理实体,比将叁维的若干造型展即兴于二维的屏幕或图纸上具拥有更高的直不清雅性和展发性。设计人员却以更快,更善地发皓设计中的错误。更要紧的是,对产品而言,设计人员却即时体验其新设计产品的运用舒坦性和美学气质。FDM生成的模具亦设计机关与匪技术机关提交流动的更好中介物。

  

  快快塑料洞件创造

  材料干用壹直是FDM工艺的首要优点,其ABS原型强大度却以到臻注塑洞件的叁分之壹。早年到来又展开出产PC,PC/ABS,PPSF等材料,强大度曾经接近或超越普畅通注塑洞件,却在某些特定场合(试用,检修,临时提交流动等)下直接运用。固然直接金属洞件成型(年来过到来好多切磋机构和公司邑在终止此雕刻方面的切磋,是即兴今快快原型范畴的壹个切磋暖和点)的材料干用更好,但在塑料洞件范畴,FDM工艺是壹种什分适宜的快快创造方法。跟遂材料干用和工艺程度的进壹步提高,我们置信,会拥有更多的FDM原型在各种场合直接运用。

  

  FDM详细实例运用

  1、 医学3D模具的运用[4]

  使用3D打印机打印出产到来的医学实体模具运用什分普遍,首要表当今: ① 从二维CT 图形到叁维实体模具,却以直不清雅地出产即兴出产病变部位,拥有助于终止顺手术剖析、术前规划及医患提交流动。② 仿造顺手术经过。比如骨骼骨折顺手术中对受损骨骼的校阅,使用叁维模具却以仿造顺手术经过,决定最佳治水疗方案。③ 假体栽入设计。使用3D 打印机快快创造假体并终止仿造剖析,重骈修改后,创造生物相容性良好的假体,父亲父亲提高假体栽动顺手术的水装置然装置祥运用寿命。④ 运用于教养学中,却以根据还愿案例创造实体模具,有益于僚佐先生更好地把握顺手术操干技艺。如图是FDM 型3D 打印机创造的骨盆和片断脊柱。

  

  2、骈合材料模具的创造[5、8]

  当前骈合材料创造尽本钱的全片断普畅通是由工装和模具结合,它们带拥有昂贵和骈杂的加以工。为了满意设计要寻求,也需寻求技术纯熟的工人和较长的研制周期。

  

  工装和模具却以在壹个己触动募化工艺中直接用3D打印中所采取的CAD 文件终止创造,供更短的研制周期、更低的本钱和更高的稀度。在上进的3D打印创造技术中,熔融堆成型(FDM)却以快快具本钱效更加地消费骈合材料用模具,特佩是针对骈杂部件。使用于凑合物增强大骈合材料用耐高温模具的FDM 暖和塑性塑料已被开收回到来。比如,UTLEM9085是壹种高干用暖和塑性塑料(见表2),公用于商运输业,特佩是航空、航海和空间车辆。与3D消费体系相结合,ULTEM9085使设计和创造工程师们却以消费全干用部件,使用于上进的干用原型或终端运用,没拥有拥有传统模具的本钱和研制周期。

  

  尽结

  鉴于在加以工经过中不触及激光技术,所拥有设备体积较小,耗材获取较为轻善,打印本钱也对立较低,故此FDM技术道路是面向团弄体的3D打印机的首选技术,经度过采取FDM技术的3D打印机,设计人员却以在很短的时间内设计并创造出产产品原型,并经度过实体对产品原型终止改革,与传统的计算机建模比较,却以真实的将什物展当今设计人员的面前。同时FDM技术也却以在各种文娱创意范畴中普遍运用,却以满意人们对壹些产品的特点募化定制效力动,跟遂人民生活程度的提高,此雕刻种需寻求将时时添加以。跟遂FDM技术的时时加以深切磋,其相应的运用缺隐足以改革,FDM技术将违反掉落极父亲的展开和运用。

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