快速成型技術(Rapid Prototyping) 是20 世紀80 年代中後期發展起來的一項新型的造型技術。
基本介紹
- 中文名：FDM快速成型機
- 特點：成本低
- 適用範圍：薄殼體零件及微小零件
- 原理：快速成型技術的基本原理
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發展過程
快速成型技術(Rapid Prototyping) 是20 世紀80 年代中後期發展起來的一項新型的造型技術。RP 技術是將計算機輔助設計(CAD) 、計算機輔助製造(CAM) 、計算機數控技術(CNC) 、材料學和雷射結合起來的綜合性造型技術。RP 經過十多年的發展，已經形成了幾種比較成熟的快速成型工藝:光固化立體造型( SL —Stereolithography) 、分層物體製造(LOM —Laminated Object Manufacturing) 、選擇性雷射燒結(SLS —Selected Laser Sintering) 和熔融沉積造型( FDM —Fused Deposition Modeling)等。這四種典型的快速成型工藝的基本原理都是一樣的，但各種方法各有其特點。本文主要介紹FDM 工藝的原理及其過程。
工藝原理
1.1 快速成型技術的基本原理
快速成型技術是對零件的三維CAD 實體模型，按照一定的厚度進行分層切片處理，生成二維的截面信息，然後根據每一層的截面信息，利用不同的方法生成截面的形狀。這一過程反覆進行，各截面層層疊加，最終形成三維實體。分層的厚度可以相等，也可以不等。分層越薄，生成的零件精度越高，採用不等厚度分層的目的在於加快成型速度[1 ] 。
1.2 FDM快速成型機 的工藝原理
如圖1 所示。快速成型機的加熱噴頭受計算機控制，根據水平分層數據作x - y 平面運動。絲材由送絲機構送至噴頭，經過加熱、熔化，從噴頭擠出粘結到工作檯面，然後快速冷卻並凝固。每一層截面完成後，工作檯下降一層的高度，再繼續進行下一層的造型。如此重複，直至完成整個實體的造型。每層的厚度根據噴頭擠絲的直徑大小確定。
圖1 FDM 工藝原理圖FDM 工藝關鍵是保持熔融的成型材料剛好在凝固點之上，通常控制在比凝固點高1 ℃左右[2 ] 。目前，最常用的熔絲線材主要是ABS、人造橡膠、鑄蠟和聚酯熱塑性塑膠，銅絲等。1998 年澳大利亞開發出了一種新型的金屬材料用於FDM 工藝———塑膠複合材料絲。
工藝過程
FDM 快速成型的過程包括:設計三維CAD 模型、CAD 模型的近似處理、對STL 檔案進行分層處理、造型、後處理。如圖2 所示。
圖2 快速成型的過程
2.1 設計三維CAD 模型
設計人員根據產品的要求，利用計算機輔助設計軟體設計出三維CAD 模型。常用的設計軟體有: Pro/ Engineering ， Solidworks ， MDT ， AutoCAD ，U G等。
2.2 三維CAD 模型的近似處理
產品上有許多不規則的曲面，在加工前必須對模型的這些曲面進行近似處理。目前最普遍的方法是採用美國3D System 公司開發的STL(Sterolithgraphy) 檔案格式。用一系列相連的小三角平面來逼近曲面，得到STL 格式的三維近似模型檔案。許多常用的CAD 設計軟體都具有這項功能，如Pro/ Engineering ， Solidworks ， MDT ， Auto2
CAD ，U G等。
2.3 對STL 檔案進行分層處理由於快速成型是將模型按照一層層截面加工，累加而成的。所以必須將STL 格式的三維CAD模型轉化為快速成型製造系統可接受的層片模型。片層的厚度範圍通常在01025～01762mm 之間。各種快速成型系統都帶有分層處理軟體，能自動獲取模型的截面信息。2.4 造型
產品的造型包括兩個方面:支撐製作和實體製作。
2.4.1 支撐製作
由於FDM 的工藝特點，系統必須對產品三維CAD 模型做支撐處理，否則，在分層製造過程中，當上層截面大於下層截面時，上層截面的多出部分將會出現懸浮(或懸空) ，從而使截面部分發生塌陷或變形，影響零件原型的成型精度，甚至使產品原型不能成型。支撐還有一個重要的目的:建立基礎層。在工作平台和原型的底層之間建立緩衝層，使原型製作完成後便於剝離工作平台。此外，基礎支撐還可以給製造過程提供一個基準面[1 ] 。所以FDM 造型的關鍵一步是製作支撐。
2.4.2 實體製作
在支撐的基礎上進行實體的造型，自下而上層層疊加形成三維實體，這樣可以保證實體造型的精度和品質。
2.5 後處理
快速成型的後處理主要是對原型進行表面處理。去除實體的支撐部分，對部分實體表面進行處理，使原型精度、表面粗糙度等達到要求。但是，原型的部分複雜和細微結構的支撐很難去除，在處理過程中會出現損壞原型表面的情況，從而影響原型的表面品質。於是，1999 年St ratasys 公司開發出水溶性支撐材料，有效的解決了這個難題。目前，我國自行研發FDM 工藝還無法做到這一點，原型的後處理仍然是一個較為複雜的過程。
特點
311 系統與運行成本
FDM 快速成型系統成本較低，不需要其他快速成型系統中昂貴的雷射器;成型材料價格較低;FDM 原型特別適合有空隙的結構，可節約材料與成型時間;體積小，無污染，是辦公室環境的理想桌面製造系統。但是，成型速度較慢，精度較低。
312 適用範圍
適用於薄殼體零件及微小零件;原型強度比較好，近似於實體零件，可作為概念型直接驗證設計。
結束語
由於FDM 工藝的特點， FDM 已經廣泛地套用於製造行業。它降低了產品的生產成本，縮短了生產周期，大大地提高了生產效率，給企業帶來了較大的經濟效益。當前快速成型技術的發展趨勢是將快速成型與其他先進的設計與製造技術密切結合起來，共同發展。
