熔融沉积快速成型的工艺分析_董海涛

熔融沉积快速成型的工艺分析

董海涛

（山西机电职业技术学院，山西长治046011）

摘

要：对熔融沉积快速成型工艺原理进行介绍，分析了成型的工艺特点；以MEM300成型机为例，对熔融

沉积双喷头工艺装备进行研究，论述了设计支撑的原因和支撑的种类；详细说明了FDM的成型工

——可乐瓶成型为例，艺过程，以垂直方向高的模型—比较分析4种成型方向布置方案，研究总结出几条成型方向原则，这些原则有利于提高成型质量和缩短成型时间；快速成型技术已经成为现代制造业的热点和发展方向。

关键词：快速成型熔融沉积支撑分层成型方向

文献标识码：B中图分类号：TH162．1

Analysisonrapidprototypingoffuseddepositionmodeling

DONGHaitao

（ShanxiInstituteofMechanical＆ElectricalEngineering，Changzhi046011，CHN）

Abstract：Theprocessprinciplesofrapidprototypingoffuseddepositionmodelingareintroducedanditstechnolog-icalcharacteristicsareanalyzed．TakingMEM300rapidprototypingmachineforexample，researchesdualnozzlesforfuseddepositionequipmentanddiscussesthedesignofsupportstructure．Detailedlyde-scribestheFDMprocess．Asanexampleofthecokebottleshapewithhighverticaldirection，throughcomparingfourkindsofarrangementschemeofmoldingdirection，concludesseveralmoldingdirectionprincipleswhichcanimproveproductqualityandshortenmoldingcycletime．Rapidprototypingtech-nologyhasbecomeahotspotofmodernmanufacturinganddirection．

Keywords：RapidPrototyping；FusedDeposition；Support；Laminated；MoldingDirection熔融沉积快速成型法（FusedDepositionModeling，

简称FDM），是快速成型技术（RapidPrototyping，简称RP）中的一种典型的成形方法。快速成形技术采用离

［1］

散和堆积的原理，与传统制造方法有着本质的区

近年来这种绿色的三维打印方法已经广泛应用于别，

航天航空、汽车、武器、家电产品及模具制造等领域。

制造。目前对大尺寸工件公差的选取，的测试结果，大尺寸测量的均方差与直径大致呈线性宜从≥IT6起。（B．S．1916－1963）关系。在英国标准“极限与配合”

中引用了NPL的试验数据，指出了对大尺寸测量误差的统计，均方差为15～30μm，最小为10μm。

（3）对大尺寸的配合，不宜规定孔比轴低一级，目

前以采用同级孔、轴配合为宜。

（4）除采用互换性配合外，还宜采用配制配合。

（5）要特别注意测量误差对配合性质的影响。

参

考

文

献

［1］2006．王伯平．互换性与技术测量［M］．北京：机械工业出版社，［2］．北京：中国计量出版社出版社，李柱．互换性与技术测量基础［M］

1984．

3大尺寸工件公差与配合的注意事项

通过上述论述后，考虑到大尺寸工件在测量误差

方面以及其它方面的一些特性，在选择或者确定大尺寸公差与配合的时候，就要和中小尺寸工件加以区别，并注意以下方面：

（1）在大尺寸的公差单位公式中应充分反映测量误差的影响。

（2）大尺寸的IT6级远比中等尺寸的IT6级难以

·96

·

第一作者:崔丽娟，硕士，副教授，主要从事机械类课程的教学和研究。

(编辑

李

静)

（收稿日期：2012－08－28）

文章编号：131029

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1

1．1

FDM工艺原理与工艺特点

工艺原理

熔融沉积又叫熔丝沉积、熔化堆积法

［2］

京殷华公司MEM300FDM成型机为例，如图2

。

3

，它是将

3．1

FDM的支撑设计

设计支撑的原因

FDM成形中，每一个层

丝状的热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴

［3］

的喷头挤压出来。熔融沉积成型工艺的材料一般ABS、PC、如蜡、尼龙等，以丝状供料，丝是热塑性材料，

状热塑性材料或其他热塑性材料由供丝机构送进喷

头，在喷头中加热到熔融态，或在压力容器加热，经喷按照计算机给嘴挤出；熔融态的丝状材料被挤压出来，

随喷头的运动，选择性地涂覆在工出的截面轮廓信息，

作台的制件基座上，并快速冷却固化；一层完成后喷头

上升（或工作台下降）一个层高，再进行下一层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品1．2

［4］

片都是在上一层上堆积而

成，上一层对当前层起到定

位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结———“支撑”，构以保证成形过程的顺利实现。3．2支撑的种类

FDM技术提供两种类型的支撑：

（1）WaterWorks（水溶性支撑）：可以分解于碱性水溶剂的可溶解性支撑结构；

（2）BreakAwaySupportStructure（BASS）（易剥离

由手工将支撑从工件表性支撑）：水溶性支撑的前身，面剥离以移除。

水溶性支撑因为可以不用考虑机械式的移除，所

以可以接近于细小的特征，因而用得更广泛。3．3

支撑的实现

根据STL文件判断成形过程所需要的支撑，由计

。

工艺特点

（1）该工艺不使用激光，维护简单，成本低；（2）选

不会在设备中或附近形成粉末或液体污用丝材清洁，

染，易于更换、保存；（3）后处理简单，仅需要几分钟时

间可以剥离支撑，原型即可使用；（4）成型速度较快，

3

一般较高的成型速度可以达到30～80cm/h。

2FDM双喷头工艺设备

熔融沉积快速成型工艺在原型制作时需要同时制

作支撑，为了节省材料成本和提高沉积效率，新型FDM设备采用了双喷头，双喷头原理图如图1所示。一个喷头负责逐层喷堆原型，另一个喷头负责喷堆支

支撑是为了支撑原型悬空部分，可选用比较廉价的撑，材料

［5］

算机设计出支撑结构，然后对STL格式文件分层切

片，最后根据每一层的填充路径，将信息输给成形系统完成模型的成形。

4

4．1

FDM工艺过程

启动Aurora软件

Aurora软件是快速成型软件，它输入STL模型，进

，防止原型因自重而变形。以下实验描述以北

行分层等处理后输出到快速原型系统，可以方便快捷地得到模型原型。4．2

载入三维模型（STL文件）

STL格式是快速成型领域的数据转换标准，几乎

Pro/E、Auto-所有的CAD系统都支持该格式，如UG、CAD、SolidWorks等，在CAD系统或反求系统中得到零

［6］件三维模型后，可将其以STL格式输出至Aurora软件，载入STL文件后，系统开始读入STL模型，并在最下端的状态条显示已读入的面片数和顶点数。读入模

型后，系统自动更新，显示STL模型。通过软件中的三维模型操作，即坐标变换、模型分割、分解、合并和排样等命令对载入的三维模型进行变换和布局。4．3选择分层参数进行分层

对已经布局好的三维模型进行分层，分层参数包

·97·

括分层、路径和支撑，大部分参数已经固化在快速成型系统中，用户只需根据喷嘴大小和成型要求选择合适的参数集即可，一般无需对预设参数进行修改，分层后保存CLI文件。4．4

打印模型

CLI模型包括轮载入二维层片模型（CLI模型），

廓、填充和支撑3部分，可一次载入多个，但模型的层厚必须一致，设定定型位置，然后打印。4．5后处理

打印完成，工作台下降，取出模型，然后对模型支撑部分进行剥离，对几部分分割成型的零件进行粘结。

（6）如果有较小直径（小于10mm）的立柱、内孔等特

征，尽量选择垂直方向成型；（7）避免出现投影面积小、高度高的支撑面出现

。

5FDM工艺优化

判断FDM工艺是否更合理，应该根据打印后模型

外形和精度是否符合要求、支撑是否容易剥离、打印时间长短等方面来判断，这些结果和模型的成型方向布置、分割和组合有很大的关系。如图3所示模型为一个塑料可乐瓶的三维模型，这个瓶子用熔融沉积快速原型机打印，有很多种布置方法。

如图4和图5，这两种方法是整个瓶子打印没有分割，这种整体打印的方法得到的模型外观比较完整。但是瓶子是属于垂直方向较高的例子，图4和图5的布置容易造成零件变形，图4的布置支撑比图5的布置少很多，图5比较浪费材料，瓶子

而且打印时间较长，但是图4内部支撑也比较难剥离，

瓶底与支撑剥离时容易有毛刺，表面质量要差一些；图

6把瓶子分割为3部分打印，而且瓶底朝下布置，这样有利于防止变形，支撑也比较少，这样的布置对于垂直方向高的零件比较适合；图7是把瓶子从中间剖开打印，刻意一个朝上，一个朝下放置，这样的结果，一个支撑用的较多，一个表面剥离时容易损坏，这样的形状采用这种布置不是太合适。

模型的布置直接影响到模型的质量和打印效率，不同形状和要求有不同的布置方法，根据实验研究，一般成型方向的原则总结如下：

（1）不同表面的成型质量不同，上表面好于下表面，水平面好于垂直面，垂直面好于斜面；（2）水平方向的强度高于垂直方向的强度；（3）有平面的模型，以平行和垂直大部分平面的方向摆放；（4）选择重要的表面作为上表面；（5）减少支撑面积，降低支撑高度；

·98

·

6结语

熔融沉积快速成型法作为一种快速绿色制造法，

已经广泛应用在各个领域，它大大缩短了新产品的开发和上市周期，但是它的成型质量和成型效率还有待进一步研究和提高。目前，快速成型技术引起很多科研人员的重视，已经成为产品开发和模具制造方面的一个热点，不久之后，这种技术将会有更大的突破和提高，为现代化制造提供更多有利的成果。

参

2010，36（3）：63－66．工业，

［2］余东满，李晓静，黄建娜，等．基于快速成型的快速模具制造工艺分

J］．新技术新工艺，2010（12）：5－8．析［

［3］王明娣，芮延年．快速成型技术在模具制造中的应用［J］．苏州大学

2004（10）：66－69．学报：工科版，

［4］2011：151－袁小江．模具制造工艺［M］．北京：机械工业出版社，

158．

［5］2000眭润舟．快速原型技术及模具［J］．制造现代塑料加工应用，

（2）：31－33．

［6］余东满，李晓静，王笛．熔融沉积快速成型的工艺过程分析及应用

［J］．机械制造与应用，2011（8）：65－67．

考文献

［1］．模具刘洪军，李亚敏，曹池．快速模具制造技术分析与发展趋势［J］

1974年生，作者:董海涛，女，硕士，工程师，讲师，主要研究方向为从事模具设计与制造方面的教学和研究。

(编辑

余

捷)

（收稿日期：2013－06－19）

文章编号：131030

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xcni.html