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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(kāi)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?chē)牟牧险辰Y(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(kāi)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(chē)、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(hù)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(kāi)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(hù)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(méi)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(xiàn)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(guān)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(mén)與非技術(shù)部門(mén)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(kāi)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?chē)牟牧险辰Y(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(kāi)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％。
