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3D打印技術(shù)之熔融沉積成型(FDM)原理
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FDM是“Fused Deposition Modeling”的簡(jiǎn)寫形式,即為熔融沉積成型,這項(xiàng)3D打印技術(shù)由美國(guó)學(xué)者Scott Crump于1988年研制成功。FDM通俗來講就是利用高溫將材料融化成液態(tài),通過打印頭擠出后固化,最后在立體空間上排列形成立體實(shí)物。
【FDM快速成型技術(shù)的技術(shù)原理】:
FDM機(jī)械系統(tǒng)主要包括噴頭、送絲機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱工作室、工作臺(tái)5個(gè)部分(如下圖)。熔融沉積工藝使用的材料分為兩部分:一類是成型材料,另一類是支撐材料。
將低熔點(diǎn)絲狀材料通過加熱器的擠壓頭熔化成液體,使熔化的熱塑材料絲通過噴頭擠出,擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng),擠出半流動(dòng)的熱塑材料沉積固化成精確的實(shí)際部件薄層,覆蓋于已建造的零件之上,并在1/10s內(nèi)迅速凝固,每完成一層成型,工作臺(tái)便下降一層高度,噴頭再進(jìn)行下一層截面的掃描噴絲,如此反復(fù)逐層沉積,直到最后一層,這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個(gè)實(shí)體模型或零件。
FDM成形中,每一個(gè)層片都是在上一層上堆積而成,上一層對(duì)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(huì)發(fā)生變化,當(dāng)形狀發(fā)生較大的變化時(shí),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(jì)一些輔助結(jié)構(gòu)-“支撐”,以保證成形過程的順利實(shí)現(xiàn)。支撐可以用同一種材料建造,現(xiàn)在一般都采用雙噴頭獨(dú)立加熱,一個(gè)用來噴模型材料制造零件,另一個(gè)用來噴支撐材料做支撐,兩種材料的特性不同,制作完畢后去除支撐相當(dāng)容易。送絲機(jī)構(gòu)為噴頭輸送原料,送絲要求平穩(wěn)可靠。送絲機(jī)構(gòu)和噴頭采用推-拉相結(jié)合的方式,以保證送絲穩(wěn)定可靠,避免斷絲或積瘤。
【FDM快速成型工藝的優(yōu)點(diǎn)】
(1)成本低。熔融沉積造型技術(shù)用液化器代替了激光器,設(shè)備費(fèi)用低;另外原材料的利用效率高且沒有毒氣或化學(xué)物質(zhì)的污染,使得成型成本大大降低。
(2)采用水溶性支撐材料,使得去除支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行,可快速構(gòu)建復(fù)雜的內(nèi)腔、中空零件以?及一次成型的裝配結(jié)構(gòu)件。
(3)原材料以卷軸絲的形式提供,易于搬運(yùn)和快速更換。
(4)可選用多種材料,如各種色彩的工程塑料ABS、PC、PPS以及醫(yī)用ABS等。
(5)原材料在成型過程中無化學(xué)變化,制件的翹曲變形小。
(6)用蠟成型的原型零件,可以直接用于熔模鑄造。
(7)FDM?系統(tǒng)無毒性且不產(chǎn)生異味、粉塵、噪音等污染。不用花錢建立與維護(hù)專用場(chǎng)地,適合于辦公室設(shè)計(jì)環(huán)境使用。
(8)材料強(qiáng)度、韌性優(yōu)良,可以裝配進(jìn)行功能測(cè)試。
【FDM快速成型工藝的缺點(diǎn)】
(1)原型的表面有較明顯的條紋。
(2)與截面垂直的方向強(qiáng)度小。
(3)需要設(shè)計(jì)和制作支撐結(jié)構(gòu)。
(4)成型速度相對(duì)較慢,不適合構(gòu)建大型零件。
(5)原材料價(jià)格昂貴。
(6)噴頭容易發(fā)生堵塞,不便維護(hù)。
【FDM快速成型技術(shù)的應(yīng)用】
FDM快速成型機(jī)采用降維制造原理,將原本很復(fù)雜的三維模型根據(jù)一定的層厚分解為多個(gè)二維圖形,然后采用疊層辦法還原制造出三維實(shí)體樣件。由于整個(gè)過程不需要模具,所以大量應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空航天、家電、通訊、電子、建筑、醫(yī)學(xué)、玩具等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程,如產(chǎn)品外觀評(píng)估、方案選擇、裝配檢查、功能測(cè)試、用戶看樣訂貨、塑料件開模前校驗(yàn)設(shè)計(jì)以及少量產(chǎn)品制造等,也應(yīng)用于政府、大學(xué)及研究所等機(jī)構(gòu)。用傳統(tǒng)方法須幾個(gè)星期、幾個(gè)月才能制造的復(fù)雜產(chǎn)品原型,用FDM成型法無需任何刀具和模具,瞬間便可完成。
由于FDM工藝的特點(diǎn),F(xiàn)DM已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于制造行業(yè)。它降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本,縮短了生產(chǎn)周期,大大地提高了生產(chǎn)效率,給企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益。
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