FDM快速成型技术

2017-07-14 13:54:13

快速成型技术作为产品设计行业制作样品的一种常用手段,近年来随着国内企业对产品外观设计的重视度提高,有了较大的发展,大量从事工业设计行业的设计师开始在日常工作中越来越多的接触到各种快速成型技术。

快速成型技术(Rapid Prototyping) 20 世纪80 年代中后期发展起来的一项新型的造型技术。快速成型技术是将计算机辅助设计(CAD) 、计算机辅助制造(CAM) 、计算机数控加工技术(CNC) 、材料学和激光技术相结合起来的综合性造型技术。经过十多年的发展,已经形成了几种比较成熟的快速成型工艺:光固化立体造型(SLA-Stereolithography) 、分层实体制造(LOM-Laminated Object Manufacturing) 、选择性激光烧结(SLS-Selected Laser Sintering) 和熔融沉积成型( FDM-Fused Deposition Modeling)等。这四种典型的快速成型工艺的基本原理都是一样的,但各种方法各有其特点。本文主要介绍FDM工艺的原理及其过程。

FDM既Fused Deposition Modeling熔融沉积成型,是一种将各种固体(粒状或丝状为主)原材料(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等)加热熔化进而堆积成型的工艺。

FDM快速成型技术是3D打印技术的一种,其在3D打印领域有着至关重要的地位。受价格越来越低、打印成本越来越低、操作越来越简单等因素,基于FDM成型技术的3D打印机越来越被消费者所接受。目前,3D打印技术应用领域较多,医疗、建筑、运输、航天、考古、教育以及工业制造等领域都有涉及。

其原理如下:计算机软件读取3D模型数据并将其分层,随后加热喷头在计算机的控制下,根据产品零件分层后获得的截面信息,在X-Y平面运动,材料由供料机构送至热熔喷头,并在喷头中加热和熔化成液态,然后被挤压出来,依据需要的截面形状,有选择性的涂覆于工作平面上,材料快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片。一层截面成型完成后,工作台下降一定高度,再进行下一层的熔覆,好像一层层"画出"截面,如此循环,最终形成三维产品零件。

FDM快速成型工艺有多种材料可供选用,如:ABSPLA、尼龙、木质,甚至食物。这种工艺干净,易于操作,不产生垃圾,并可安全地用于办公环境,没有产生毒气和化学污染的危险。适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。

典型的FDM快速成型工艺过程包括:获取三维模型、三维模型的处理、对STL文件进行分层处理、3D打印造型、后处理等。

获取三维模型,是指从设计师或客户,获得利用计算机辅助设计软件设计的出三维CAD模型。虽然设计软件千差万别,不过大体上,获得的三维模型基本可以分为三维数据(以stp文件为代表)或者多边形面片(以obj文件为代表)。

通常情况下,得到的三维数据并不是可以直接用于FDM快速成型的数据文件,即使是stl文件也往往需要检查模型数据的有效性,通过对三维模型的处理,前述各种不同格式的三维数据文件将统一转化为符合快速成型技术要求的stl文件格式。stl文件由多个三角形面片的定义组成,每个三角形面片的定义包括三角形各个定点的三维坐标及三角形面片的法矢量。

经过处理的stl文件,再经过不同快速成型制造系统提供的处理软件,生成系统自身可接受的层片模型。这个片层模型即是用来在后续的3D打印过程中指挥打印头动作的基本数据,软件据此就可以在计算机中模拟再现打印过程,计算成型需要的时间、材料等。

需要指出的是,片层模型并不仅仅是目标模型的每一个截面的截面信息。实际上,由于FDM 的工艺特点,系统必须对产品三维CAD 模型做支撑处理,否则,在分层制造过程中,当上层截面大于下层截面时,上层截面的多出部分将会出现悬浮(或悬空) ,从而使截面部分发生塌陷或变形,影响零件原型的成型精度,甚至使产品原型不能成型。此外,为了便于使原型制作完成后便于剥离工作平台,支撑结构也常常被用于在工作平台和原型的底层之间建立缓冲层,为制造过程提供一个基准面。

基于前面的原因,3D打印的过程中实际上包括了对支撑结构的打印和对产品结构的打印两部分,而产品结构的打印又细分为表面轮廓的打印和内部填充的打印。打印头在打印过程中将依据设定,对不同的结构区域进行不同的处理,通常情况下,支撑结构会在保证纵向强度的基础上弱化其他方向的强度,使其便于在后处理工艺中和最终需要的产品原型分离;产品的表面轮廓则因为直接关系到最终产品原型的表面,所以会得到最精细的对待;内部填充部分的打印则依据设定的填充度不同从完全填实,到只存在薄壁组成的蜂窝状网孔,使用不同的方式加以处理,籍此可以在打印成本和打印件强度之间获得令人满意的平衡点。

经过自下而上层层叠加形成的3D打印毛坯,在完成打印作业后,还需要依照使用需求进行后处理,包括去除打印工艺额外生成的支撑结构、表面打磨、抛光、喷涂各色涂料等。至此,整个FDM快速成型工艺的流程告一段落。

通过对工艺流程的梳理,我们可以对FDM快速成型工艺的特点得到更进一步的认识。FDM快速成型工艺不需要使用激光器等高能耗、高精度的仪器设备,无论设备采购、维护成本还是运行制造成本均属较低。由于整个工艺过程概括来说就是将材料融化后再成型,所以理论上任何可以通过加热融化(一般来说只能加热到几百度)的材料均可以使用FDM快速成型工艺进行加工成型。由于原材料使用范围广泛,通过FDM快速成型工艺制造的快速成型件拥有近似于量产产品的力学性能,可用于结构验证、力学实验等。与之相对的,由于整个过程中需要先加热再冷却,且都是在相对较短时间内完成,故而材料的胀缩性能对加工件的成型精度有决定性的影响。由于逐层堆叠的工艺模式,FDM快速成型工艺相较其他方式耗时较长。而成型过程中几乎必不可少的支撑结构在后处理过程中如果处理不善,可能在加工件外表面留下大量支撑结构的残余,影响加工件外观。

      综上,由于FDM快速成型工艺的特点, 其已经广泛地应用于手板模型制造等行业。它较大幅度的降低了各种小批量复杂零部件的生产成本,缩短了生产周期,大大地提高了生产效率。随着近年来快速成型、3D打印等技术的快速普及发展,其技术必将日趋完备,并在更多领域获得更广泛的应用。
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