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FDM快速成型工藝
由美國(guó)Stratasys公司推出的FDM設(shè)備是由Scott Crump于1988年最早開發(fā)出來(lái)快速成型技術(shù)。 材料包括聚酯、ABS、人造橡膠、熔模鑄造用蠟和聚脂熱塑性塑料等。 熔融沉積成型的工作原理是將熱熔性材料（ABS、蠟）通過(guò)加熱器熔化，材料先抽成絲狀，通過(guò)送絲機(jī)構(gòu)送進(jìn)熱熔噴頭，在噴頭內(nèi)被加熱融化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將半流動(dòng)狀態(tài)的材料按CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑擠出并沉積在指定的位置凝固成形，并與周圍的材料粘結(jié)，層層堆積成型。 熔融擠壓成形工藝比較適合于家用電器、辦公用品以及注塑件模具行業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)，以及用于假肢、醫(yī)學(xué)、醫(yī)療、大地測(cè)量、考古等基于數(shù)字成像技術(shù)的三維實(shí)體模型制造。該技術(shù)無(wú)需激光系統(tǒng)，因而價(jià)格低廉，運(yùn)行費(fèi)用很低且可靠性高。 目前在汽車、家電、電動(dòng)工具、醫(yī)療、機(jī)械加工、精密鑄造、航天航空、工藝品制作以及兒童玩具等行業(yè)，已經(jīng)在以下幾個(gè)方面起到重要作用： 1) 產(chǎn)品樣本、設(shè)計(jì)評(píng)審、性能測(cè)試及裝配實(shí)驗(yàn)。用戶根據(jù)快速制造的成型對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)審，進(jìn)行模擬性能測(cè)試和模擬裝配試驗(yàn)，然后評(píng)估生產(chǎn)的可能性，最后將改進(jìn)信息提供給設(shè)計(jì)人員，以便以后的修改和優(yōu)化。 2) 將FDM技術(shù)和傳統(tǒng)的注塑件模具制造技術(shù)結(jié)合在一起，快速注塑件模具制造技術(shù)可以縮短注塑件模具的開發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率。 3) 在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，根據(jù)掃描得到的人體分層截面數(shù)據(jù)，制造出人體局部組織或器官的模型，可以用于臨床醫(yī)學(xué)輔助診斷復(fù)雜手術(shù)方案的確定，即制造解剖學(xué)體外模型（體外模型）；也可以制造組織工程細(xì)胞載體支架結(jié)構(gòu)（人體器官），即作為生物制造工程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 4) 在微型機(jī)械方面，采用某些工藝加工方法，如光固化法方法，快速成型制造技術(shù)可以用于微型機(jī)械的制造和裝配。 5) 在其他領(lǐng)域，如快速成型技術(shù)還可以用于復(fù)制文物，制作工藝品的設(shè)計(jì)原型，展覽模型等。 FDM成型特點(diǎn)： 1)標(biāo)準(zhǔn)的工程熱塑性塑料。如ABS可以用來(lái)生成帶有結(jié)構(gòu)功能的模型。 2)可以使用兩種材料，可選柵格結(jié)構(gòu)充當(dāng)填空。 3)加熱后的熱塑性塑料細(xì)絲像擠牙膏一樣從噴嘴中擠出。 4)熱塑性塑料到達(dá)較低溫度的工作環(huán)境平面后迅速冷卻固化。 5)近年來(lái)發(fā)展迅速，廣受用戶青睞。 FDM的優(yōu)、缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍： 優(yōu)點(diǎn)： 1、 制造系統(tǒng)可用于辦公環(huán)境，沒有毒氣或化學(xué)物質(zhì)的危險(xiǎn)。 2、 工藝干凈、簡(jiǎn)單、易于材作且不產(chǎn)生垃圾。 3、 可快速構(gòu)建瓶狀或中空零件。 4、 原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運(yùn)和快速更換。 5、 原材料費(fèi)用低，一般零件均低于20美元。 6、 可選用多種材料，如可染色的ABS和醫(yī)用ABS、PC、PPSF等。 缺點(diǎn)： 1、精度相對(duì)國(guó)外SLA工藝較低，最高精度0.127mm。 2、速度較慢。 適用范圍：這種工藝方法適合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念建模以及產(chǎn)品的功能測(cè)試。由于甲基丙烯酸ABS（MOBS）材料具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，可采用伽瑪射線消毒，特別適用于醫(yī)用。但成形精度相對(duì)較低，不適合于制作結(jié)構(gòu)過(guò)分復(fù)雜的零件。 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)估與校審方面 FDM技術(shù)可以將CAD的設(shè)計(jì)構(gòu)想快速、精確、而又經(jīng)濟(jì)地生成可觸摸的物理實(shí)體，比將三維的幾何造型展示于二維的屏幕或圖紙上具有更高的直觀性和啟示性。設(shè)計(jì)人員可以更快，更易地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。更重要的是，對(duì)成品而言，設(shè)計(jì)人員可及時(shí)體驗(yàn)其新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的使用舒適性和美學(xué)品質(zhì)。FDM生成的模型也是設(shè)計(jì)部門與非技術(shù)部門交流的更好中介物。 適用于三維打印 1) 不使用激光，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低：價(jià)格是成型工藝是否適于三維打印的一個(gè)重要因素。多用于概念設(shè)計(jì)的三維打印機(jī)對(duì)原型精度和物理化學(xué)特性要求不高，便宜的價(jià)格是其能否推廣開來(lái)的決定性因素。 2) 塑材絲材清潔，更換容易：與其他使用粉末和液態(tài)材料的工藝相比，絲材更加清潔，易于更換、保存，不會(huì)在設(shè)備中或附近形成粉末或液態(tài)污染。 3) 后處理簡(jiǎn)單：僅需要幾分鐘到一刻鐘的時(shí)間，剝離支撐后原型即可使用。而現(xiàn)在應(yīng)用較多的SL、SLS、3DP等工藝均存在清理殘余液體和粉末的步驟，并且需要進(jìn)行后固化處理，需要額外的輔助設(shè)備。這些額外的后處理工序一是容易造成粉末或液體污染，二是增加了幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間，不能在成型完成后立刻使用。 4) 成型速度快：一般來(lái)講，F(xiàn)DM工藝相對(duì)于SL、SLS、3DP工藝來(lái)說(shuō)速度是慢的，但，針對(duì)三維打印應(yīng)用，其也有一定的優(yōu)勢(shì)。首先，SL、SLS、3DP都有層間過(guò)程（鋪粉/液，掛平），因而它們一次成型多個(gè)原型是速度很快，例如：3DP可以做到一小時(shí)成型25mm左右高度的成型。三維打印機(jī)成型空間小，一次多成型1至2個(gè)原型，相對(duì)來(lái)講，他們的速度優(yōu)點(diǎn)就不堪明顯了。其次，三維打印機(jī)對(duì)原型強(qiáng)度要求不高。所以FDM工藝可以通過(guò)減小原型密實(shí)程度的方法提高成型速度。通過(guò)我們的實(shí)驗(yàn)，具有某些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的模型，最高成型速度已經(jīng)達(dá)到60立方厘米/小時(shí)，通過(guò)軟件優(yōu)化及技術(shù)進(jìn)步，我們預(yù)計(jì)可以達(dá)到2000立方厘米/小時(shí)的高度。 快速塑料零件制造 材料性能一直是FDM工藝的主要優(yōu)點(diǎn)，其ABS原型強(qiáng)度可以達(dá)到注塑件零件的三分之一。今年來(lái)又發(fā)展出PC，PC/ABS，PPSF等材料，強(qiáng)度已經(jīng)接近或超過(guò)普通注塑件零件，可在某些特定場(chǎng)合（試用，維修，暫時(shí)替換等）下直接使用。雖然直接金屬零件成型（近年來(lái)許多研究機(jī)構(gòu)和公司都在進(jìn)行這方面的研究，是當(dāng)今快速原型領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)）的材料性能更好，但在塑料零件領(lǐng)域，F(xiàn)DM工藝是一種非常適宜的快速制造方式。隨著材料性能和工藝水平的進(jìn)一步提高，我們相信，會(huì)有更多的FDM原型在各種場(chǎng)合直接使用。 熔融擠出成型(FDM)--高性能的快速成型工藝 1)熔融擠出成型(FDM)工藝的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)。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”，對(duì)后續(xù)層提供定位和支撐，以保證成形過(guò)程的順利實(shí)現(xiàn)。 2)這種工藝不用激光，使用、維護(hù)簡(jiǎn)單，成本較低。用蠟成形的零件原型，可以直接用于失蠟鑄造。用ABS制造的原型因具有較高強(qiáng)度而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測(cè)試與評(píng)估等方面得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)又開發(fā)出PC，PC/ABS，PPSF等更高強(qiáng)度的成形材料，使得該工藝有可能直接制造功能性零件。由于這種工藝具有一些顯著優(yōu)點(diǎn)，該工藝發(fā)展極為迅速，目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝快速成形系統(tǒng)中的份額大約為30％。
