1、第五章第五章 丝状材料选择性丝状材料选择性熔覆增材制造熔覆增材制造丝状材料选择性熔覆增材制造丝状材料选择性熔覆增材制造5.1 FDM增材制造的工作原理和成形过程5.2 FDM增材制造的材料及选择5.3 FDM增材制造的优点与缺点5.4 FDM增材制造常用控制软件5.5 典型FDM增材制造装备简介5.1 FDM增材制造的工作原理和成形过程增材制造的工作原理和成形过程FDM增材制造的工作原理FDM增材制造的工作原理如图5-1所示。其中，加热喷头在计算机的控制下，可根据截面轮廓的信息，作X-Y平面运动和高度Z方向的运动。丝状热塑性材料（如ABS及MABS塑料丝、蜡丝、聚烯烃树脂、尼龙丝、聚酰胺丝）由
2、供丝机构送至喷头，并在喷头中加热至熔融态，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓。一层截面完成后，喷头上升一截面层的高度，再进行下一层的涂覆。如此循环，最终形成三维产品。5.1 FDM增材制造的工作原理和成形过程增材制造的工作原理和成形过程图5-1 FDM增材制造工作原理图5.1 FDM增材制造的工作原理和成形过程增材制造的工作原理和成形过程图5-2 双喷头熔融沉积工艺的基本原理5.1 FDM增材制造的工作原理和成形过程增材制造的工作原理和成形过程 FDM增材制造装备构成1.喷头 喷头是最复杂的部分，材料在喷头中被加热熔化。2.运动机构 运动机构包括 X，Y，Z 三个轴的运动，X
3、-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，实现层层堆积的控制。3.送丝机构 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 12mm，而喷嘴直径只有 0.20.5mm 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)被挤出成形。送丝机构以两台直流电机为主构成，在 D/A 控制模块的配合下随时控制送丝的速度及开闭。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。4.加热系统 加热工作室用来给成形过程提供一个恒温环境。熔融状态的丝挤出成形后如果骤然受到冷却，容
4、易造成翘曲和开裂，适当的环境温度可最大限度地减小这种造型缺陷，提高成形质量和精度。加热系统由成形室和喷头加热机构组成。采用可控硅和温控器结合的硬件形式控制，在以后的设计中将会考虑使用软件带 D/A 模块控制可控硅的形式。5.2 FDM增材制造的材料及选择FDM增材制造对成形材料的要求（1）材料的粘度低 材料的粘度低，流动性好，阻力就小，有助于材料顺利挤出。（2）材料的熔融温度低 低的熔融温度对FDM工艺的好处是多方面的。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。（3）粘结性要好 FDM成形是分层制造的
5、，层与层之间是连接最薄弱的地方，如果粘结性过低，会因热应力造成层与层之间的开裂。（4）材料的收缩率对温度不能太敏感 材料的收缩率如果对温度太敏感会引起零件尺寸超差，甚至翘曲、开裂。5.2 FDM增材制造的材料及选择FDM增材制造对支撑材料的要求（1）能承受一定的高温 由于支撑材料与成形材料在支撑面上接触，所以支撑材料必须能够承受成形材料的高温。（2）与成形材料不浸润 加工完毕后支撑材料必须去除，所以支撑材料与成形材料的亲和性不能太好，这样便于后处理。（3）具有水溶性或酸溶性 为了便于后处理，支撑材料最好能溶解在某种液体中。由于现在的成形材料一般用ABS工程塑料，该材料一般能溶解在有机溶剂中，所
6、以支撑材料最好能具有水溶性或酸溶性。（4）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。（5)流动性要好 对支撑材料的成形精度要求不高，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。5.3 FDM增材制造的优点与缺点增材制造的优点与缺点FDM增材制造的优点（1）操作简单 由于采用了热融挤压头的专利技术，使整个系统构造和操作简单，维护成本低，系统运行安全。（2）成形材料广泛 成形材料既可以用丝状蜡、ABS材料，也可以使用经过改性的尼龙、橡胶等热塑性材料丝。（3）成形速度快 FDM成形过程中喷头的无效运动很少，特别是成形薄壁类制件的速度极快。（4）可
7、以成形任意复杂程度的零件 常用于成形具有很复杂的内腔、孔等零件。（5）原材料利用率高，无环境污染 成形系统所采用的材料为无毒、无味的热塑性塑料，废弃的材料还可以回收利用，材料对周围环境不会造成污染。（6）制件翘曲变形小，支撑去除简单 原材料在成形过程中无化学变化，制件的翘曲变形小，去除支撑时无须化学清洗，分离容易。5.3 FDM增材制造的优点与缺点增材制造的优点与缺点FDM增材制造和其它增材制造技术相比，也存在着以下缺点。（1）需对整个实体截面进行扫描，大面积实体成形时间较长。（2）要设计与制作支撑结构。（3）成形轴垂直方向的强度比较弱。（4）成形件的表面有较明显的条纹，影响表面精度。（5）原材料价格昂贵。5.4 FDM增材制造常用控制软件增材制造常用控制软件图5-3 Magics 人机交互界面5.5 典型典型FDM增材制造装备简介增材制造装备简介图5-4 makerbot replicator2 桌面3D打印5.5 典型典型FDM增材制造装备简介增材制造装备简介图5-5 3Dsystems的桌面级打印机Cubepro5.5 典型典型FDM增材制造装备简介增材制造装备简介图5-6 殷华公司的GI-A打印机5.5 典型典型FDM增材制造装备简介增材制造装备简介图5-7 良益筑诚H903医疗3D打印机
