熔融沉积成型技术的工艺流程ppt课件
第5章 熔融沉积成型工艺及材料
Nantong Institute of Technology
5.1 概述
桌面级FDM成型设备： MakerBot公司的MakerBot Replicator系列 3D Systems公司的Cube系 列 北京太尔时代公司的UP系列 杭州先临公司的Einstart系列
5.2 成型原理及工艺
5.2.1 成型原理
3.喷头内熔体流动性
喷嘴流道由直径分别为D1和D2的等截面圆管 和由D1过渡到D2的锥形圆管组成。锥形圆管能
更好的减小流道直径突变所带来的阻力变化，
还可以避免发生局部紊流现象。直径为D2的末
端圆管用于熔体挤出成型前的稳定性流动，以 便成型更精确稳定的尺寸。不同流道内的流场 导致各个流道出现不同压力差。
直径逐渐变细直到完全熔融的区域，称为熔化段。 在物料被挤出口之前，有一段完全由熔融物料充满
机筒的区域，称为熔融段。
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5.2 成型原理及工艺
5.2.1 成型原理 2.喷头内熔体的热平衡
假设喷头内部温度处处相等，沿喷头接触方向不存在热流。
QME：随熔体进入喷嘴的热量 QMA：喷头中被对流带走的热量 QRAD：喷头中以热辐射方式失去的热量 Q耗：喷头中单位时间内的热量耗散 QH ：加热系统供给的热量 QCA ：空气中流失的热量
机械处理 热处理 表面涂层处理 化学处理
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5.2 成型原理及工艺
5.2.3 工艺特点
优点： （1）运行成本低，操作和维护简单 （2）成型材料广泛 （3）环境友好，安全环保 （4）后处理简单 （5）易于搬运，对环境无限制
第二章熔融沉积快速成型工艺
RP技术的现状
但是，在成形复杂中空的零件方面，CNC 切削机床是不能取代RP技术的，这种直接从 概念设计迅速转为产品设计的生产模式，必 然是21世纪中制造技术的主流。 随着科技的进步，RP技术还会大踏步地向 前发展，并将成为许多设计公司、制造公司、 研究机构和教育机构等采用的基本技术。
RP技术的发展趋势
快速成形制件可能出现的缺陷
快速成形制件出现的缺陷分为表面缺陷和内
部缺陷。
快速成形制件可能出现的 表面缺陷
1.CAD前处理和阶梯状表面形成的缺陷
2.顶部缺陷
由于喷嘴喷出的材料路径具有圆形的顶面， 当最后一层顶面沉积后就形成屋脊形的表面， 这样的屋脊形表面需要光滑处理。
快速成形制件可能出现的 表面缺陷
3.喷头起/停误差造成的缺陷 由于切片后的轮廓每一层都有许多封闭的边界， 每一个封闭的几何边界都存在起/停点，喷头的移 动速度和丝材的进给速率必须在喷头的起停点协 调一致，否则就会造成材料的过剩和不足。 正确的是：在喷头还未到达终点时，丝材进给 运动就停止，在背压的作用下，喷头仍在喷料， 直至喷头到达终点。
快速成形制件可能出现的 内部缺陷
4.不一致的丝径
材料在供给的过程中直径不是完全不变的， 当丝径有变化时，就会造成沉积材料的过剩 或者不足。 解决方法：控制成形室的温度，使其均匀 一直。
快速成形制件可能出现的 内部缺陷
5.丝材截面配置形式引起的空洞缺陷 堆积出的三维模型的内部结构特性主要取决于快 速制件空隙区域或丝料黏结的横截面环形区域的密 度。 对这两者影响最大的因素有：丝料挤出温度TE、 环境温度Tc、丝料与丝料间的空隙、丝料的流速和 截面配置方式。 前四个因素在成形过程中一般是不变的，改变的 只有截面配置方式。
熔融沉积快速成型FDMppt课件
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研究熔融沉积制造(Fuesd Depostion Modeling 简称FDM)工 艺的主要有Stratasys公司和Med Modeler公司。这种技术以美国 Stratasys公司开发的产品制造系统应 用FDM-1650(台面为 250mmx250mmx250mm)机型后， 先后推出FDM-2000、FDM-3000和 FDM-8000机型。
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2）所选的空气压缩机可提供1MPa范围 内任何大小的气压，能准确控制使送入 加热室的压缩气体压力恒定（不同材料 其压力设定值可不同）。压力装置结构 简单，提供的压力稳定可靠，成本低。
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3）传统的FDM有较重的送丝机构为喷头 输送原料，即用电机驱动一对送进轮来提 供推力，送丝机构和喷头采用推-拉相结合 的方式向前运动，作用原理类似于活塞难 免会由于送丝滚轮的往复运动致使挤出过 程不连续和因震动较大而产生的运动惯性 对喷头定位精度的影响。改进后的AJS系 统由于没有了运丝部分而使喷头变的轻巧， 减小了机构的震动提高了成型精度。
加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件 的截面轮廓信息，作X-Y平面运动和高度Z方向 的运动。
成形室用来把丝状材料加热到熔融态，材料 室用来储存FDM用的材料。
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4.1.2 控制系统 由控制柜与电源柜组成，用来控制喷头 的运动以及成形室的温度。
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4.2 软件系统
软件系统由几何建模和信息处理组成。
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三 FDM成型技术的特点
3.1FDM成型技术的优点 由于采用了热融挤压头的专利技术，使 整个系统构造原理和操作简单，维护成 本低，系统运行安全。可以使用无毒的 原材料，设备系统可在办公环境中安装 使用。 成型速度快。用熔融沉积方法生产出来 的产品，不需要 SLA 中的刮板再加工这 一道工序。系统校准为自动控制。
熔融沉积成型技术
熔融沉积成型技术
熔融沉积成型技术（MeltDepositionModeling，简称MDM）是一种制造准确尺寸、具有复杂几何形状的复合材料零件的新技术。
在过去几十年里，MDM技术得到了快速发展，其制造的产品的性能也得到了极大的提高。
近年来，MDM技术也被广泛应用于航空航天、汽车、电气、电子、石油化工和其他工业领域。
MDM技术的原理是将金属、陶瓷或其他材料融化，然后将其均匀地沉积到模具中，并在模具内形成一种紧密的复合构件。
MDM技术因其制造出的产品具有高精度、轻重质薄、结构合理、尺寸精确、形状多样等特点，被用于制造精密加工部件。
MDM技术的核心是层压过程，除此之外，MDM过程还包括定位准备、模具内表面处理和复合材料成型等工序。
该过程需要控制层压温度、前熔解和后固化条件以及材料流动率和模具表面温度等参数，以达到定量控制材料沉积精度的要求。
MDM技术利用多种自动控制系统实现精确的模具管理、材料运行控制和模具表面的温度控制，大大提高了材料加工的精度和制造的效率。
此外，由于MDM过程可以自动调节模具内材料的厚度和几何形状，因此可以减少材料的浪费，降低成本。
MDM技术的发展受到了材料科学、机械加工、电子技术、自动控制和计算机辅助设计等多学科的支持和努力。
未来，MDM技术将更加深入地开发和应用，满足不断变化的技术需求，为我们带来更多的服务和便利。
综上所述，MDM技术是一种新型技术，其优点是可以制造出具有高精度和复杂几何形状的复合材料零件，同时可以实现自动控制、节能减排和材料浪费减少等效果。
MDM技术的发展也受到了不同学科的支持和努力，未来将更加普及应用，受到更多技术领域的青睐。
第五章 熔融沉积成型(FDM)
3.软件系统 软件系统包括几何建模和信息处理两部分。 几何建模单元是由设计人员借助AD软件，如 PROE等构造产品的实体模型或内三维测量仪 获取产品的数据重构产品的实体模型。 信息处理单元由STL文件处理、工艺处理数 控、图形显示等模块组成，分别完成STL文件 错误数据检验与修复、层片文件生成、填充线 计算、数控代码生成和对成型机的控制。 4.供料系统 低的凝固收缩率、陡的粘度—温度曲线和一 定的强度、硬度、强韧性。一般的塑料、蜡等 6 热塑性材料经适当改性后都可以使用。
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三、制造系统的组成
1.机械系统 包括运动、喷头、成型宝、材料室、控制室 和电源室等单元。其机械系统采用模块化设计， 各个单元相互独立。 2.控制系统 基于PC总线的运动控制卡能实现直线、圆弧 插补和多轴联动。PC总线的喷头控制卡用于完 成喷头的出丝控制，具有超前与滞后动作补偿。 喷头控制卡与运动控制卡能够协同丁作。
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Application Areas
Conceptual modeling Fit, form and functional test Pattern for investment casting The MABS (methy methacrylate ABS) material is particularly suitable for medical applications
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Disadvantages
Accuracy is relatively low and is difficult to build parts with complicated details Poor strength in vertical direction Slow for building a mass part
熔融沉积快速成型工艺
快速成形制件可能出现的 表面缺陷
❖ 关键：喷头在距离终点多远时，丝材停止进 给运动？
停止太迟，有太多的丝材进入喷头，喷头 到达终点时，还有材料喷出，造成多余的材 料溢出和粗糙的表面。
停止过早，造成材料的供应不足。
快速成形制件可能出现的 表面缺陷
❖ 4.撤除支撑时造成的缺陷 主要指在去除易剥离性支撑（BASS）时，
FDM成形的基本原理
❖ 3.一层完成后喷头上升 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。
FDM快速成形的系统组成
❖ 1.硬件系统 硬件系统由机械系统和控制系统组成。
❖ 2.软件系统 软件系统由几何建模和信息处理组成。
❖ 3.供料系统
硬件系统
❖ （1）机械系统 ❖ 机械系统由运动、喷头、成形室、材料室、
快速成形制件可能出现的缺陷
❖ 快速成形制件出现的缺陷分为表面缺陷和内 部缺陷。
快速成形制件可能出现的 表面缺陷
❖ 1.CAD前处理和阶梯状表面形成的缺陷 ❖ 2.顶部缺陷
由于喷嘴喷出的材料路径具有圆形的顶面， 当最后一层顶面沉积后就形成屋脊形的表面， 这样的屋脊形表面需要光滑处理。
快速成形制件可能出现的
软件系统
❖ 如果根据STL文件判断出成形过程需要支 撑的话，先由计算机设计出支撑结构并生成 支撑，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。
供料系统
❖ 由马达驱动橡胶辊子，从而将丝料送入成形 喷头。
FDM快速成形技术的支撑
❖ 设计支撑的原因：FDM成形中，每一个层 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 设计一些辅助结构－“支撑”，以保证成形 过程的顺利实现。
熔融沉积制造ppt课件
二、熔融沉积工艺的特点
优点
系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。 可以使用无毒的原材料，设备系统可在办公环境中安装使用。 用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。 可以成型任意复杂程度的零件，常用于成型具有很复杂的内腔、孔等零件。 原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。 原材料利用率高，且材料寿命长。 支撑去除简单，无需化学清洗，分离容易。
该模具在模具后部设计成中空区，以减少用钢量，中空区填入化学粘结瓷。 仅花5周时间和一半的原来成本，而且制作的模具至少可生产30000套衬板。
采用FDM工艺后，福特汽车公司大大缩短了运输部件衬板的制作周期，并 显著降低了制作成本。
（5）FDM在韩国现代公司的应用
韩国现代汽车公司采用了美国Stratasys公司的FDM快速原型系统，用于检验 设计、空气动力评估和功能测试。FDM系统在启亚的Spectra车型设计上得到了 成功的应用，现代汽车公司自动技术部的首席工程师Tae Sun Byun说：空间的精 确和稳定对设计检验来说是至关重要的，采用ABS工程塑料的FDM Maxum系统 满足了两者的要求，在1382mm的长度上，其最大误差只有0.75mm。
将实芯丝材原材料缠绕在供料辊上，由电机驱动辊子旋转，辊子和丝材之间的 摩擦力使丝材向喷头的出口送进。在供料辊与喷头之间有一导向套，导向套采用低 摩擦材料制成，以便丝材能顺利、准确地由供料辊送到喷头的内腔（最大送料速度 为10～25mm/s，推荐速度为5～18mm/s）。喷头的前端有电阻丝式加热器，在其 作用下，丝材被加热熔融（熔模铸造蜡丝的熔融温度为74℃，机加工蜡丝的熔融温 度为96℃，聚烯烃树脂丝为106℃，聚酰胺丝为155℃，ABS塑料丝为270℃），然 后通过出口（内径为0.25～1.32mm，随材料的种类和送料速度而定），涂覆至工 作台上，并在冷却后形成界面轮廓。由于受结构的限制，加热器的功率不可能太大， 因此，丝材一般为熔点不太高的热塑性塑料或蜡。丝材熔融沉积的层厚随喷头的运 动速度（最高速度为380mm/s）而变化，通常最大层厚为0.15～0.25mm。
熔融沉积成型技术
熔融沉积成型技术熔融沉积成型（Fused Deposition Modelling, FDM）是上世纪八十年代末，由美国Stratasys公司的斯科特·克伦普（Scott Crump）发明的技术，是继光固化快速成型（SLA）和叠层实体快速成型工艺（LOM）后的另一种应用比较广泛的3D打印技术。
1992年，Stratasys公司推出世界上第一款基于FDM技术的3D打印机--“3D造型者（3D Modeler）”，标志着FDM技术步入商用阶段。
国内方面，对于FDM技术的研究最早在包括清华大学、西安交大、华中科大等几所高校进行，其中清华大学下属的企业于2000年推出了基于FDM技术的商用3D打印机，近年来也涌现出多家将3D打印机技术商业化的企业。
2009年FDM关键技术专利到期，各种基于FDM技术的3D打印公司开始大量出现，行业迎来快速发展期，相关设备的成本和售价也大幅降低。
数据显示，专利到期之后桌面级FDM打印机从超过一万美元下降至几百美元，销售数量也从几千台上升至几万台。
FDM的工作原理是，将丝状的热塑性材料通过喷头加热熔化，喷头底部带有微细喷嘴（直径一般为0.2～0.6mm），在计算机控制下，喷头根据3D模型的数据移动到指定位置，将熔融状态下的液体材料挤喷出来并最终凝固。
材料被喷出后沉积在前一层已固化的材料上，通过材料逐层堆积形成最终的成品。
FDM的丝状线材FDM 3D打印机及其打印的物品（图片来源：3D Systems）FDM打印工作平台在打印机工作前，先要设定三维模型各层的间距、路径的宽度等数据信息，然后由切片引擎对三维模型进行切片并生成打印移动路径。
在计算机控制下，打印喷头根据水平分层数据作X轴和Y轴的平面运动，Z轴方向的垂直移动则由打印平台的升降来完成。
同时，丝材由送丝部件送至喷头，经过加热、熔化，材料从喷头挤出黏结到工作台面上，迅速冷却并凝固。
这样打印出的材料迅速与前一个层面熔结在一起，当每一个层面完成后，工作台便下降一个层面的高度，打印机再继续进行下一层的打印，一直重复这样的步骤，直到完成整个物体的打印。
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切片处理
目前使用比较多的切 片软件主要有Slic3r和 Cura 两 种 ， 也 有 公 司 针对自己机器特点开 发了专用的切片软件。
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设置打印参数
设置合适的打印参数： • 打印层厚 • 打印速度 • 打印温度 • 填充类型 • ……
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成型过程
打开打印机，载入前处理生成的切 片模型；将工作台面清理干净，待 系统初始化完成后，即可执行打印 命令，完成模漆（上色）
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去除支撑 抛光
去除支撑
去除支撑结构是FDM技术的必要后处理工 艺，复杂模型一般采用双喷头打印，其中一 个喷头挤出的材料就是支撑材料，FDM的 支撑材料有较好的水溶性，也可在超声波清 洗机中用碱性（NaOH溶液）温水浸泡后将 其溶解剥落。
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打磨
打磨处理主要是去除成型件“台阶效应” 达到表面光洁度和装配尺寸精度要求，可 用水砂纸直接手工打磨的方法，但由于成 型材料ABS较硬，会花费较长时间。也可 采用天那水（香蕉水）浸泡涂刷使成型表 面溶解平滑的方法，但需控制好浸泡时间 或涂刷量，一般1次浸泡时间为2～5s， 或用毛笔刷蘸天那水多次涂刷。
模块三 熔融堆积成型
3.2 熔融沉积成型技术的工艺流程
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课堂导入
想一想
如果让你自己建模一组茶具样品模型， 你会做吗？打算怎么做？
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本节 知识点
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FDM的工艺流程概况
2 主流的三维设计软件有哪些
3 如何获得模型STL格式
4 如何进行切片处理
5 如何设置打印参数
6 FDM的成型过程
7 FDM的后处理
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抛光
抛光处理
抛光处理前后对比
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喷漆（上色）
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& 课堂讨论
1.你觉得这些流程中最难学习的地方是什么？ 2.通过本节课的学习，你认为以前打印的东西有哪些 地方需要进行改进的？
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此课件下载可自行编辑修改，供参考！ 感谢您的支持，我们努力做得更好！
AutoCAD
可用于绘制二维制图和基本三维设计，通 过它无需建立三维实体模型的编程，即可 自动制图，因此在全球被广泛使用。
获得模型STL格式的数据
STL格式表达简单明了，其实质是用 无数多个细小的三角形来近似的代替并且 还原原来的三维CAD模型，与有限元中 的网格划分有很大相似处。STL格式目前 已普遍被快速成型设备接受，成为快速成 型行业数据的一个标准。
UG
是当今较为流行的一模具设计软件， 功能强大，是一款专业级的软件。
建立三维实体模型
SolidWorks
UG
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SolidWorks
是世界上第一个基于Windows开发的三 维CAD系统，有功能强大、易学易用和 技术创新三大特点，也属于专业级软件。
Pro/E
是CAD/CAM/CAE一体化的三维软件， 是参数化技术的最早应用者，在三维 造型软件领域占有重要地位。
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FDM的工艺流程图
建立三维 实体模型
后处理
S T L文件 数据转换
三维模型 成型
分层切片 加入支撑
逐层熔融 沉积制造
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Autodesk123D
是一套适用于普通用户的建模软件, 可以通过简单的操作编辑3D模型， 不需要专业知识。
3Done
是一款为中小学生呈现创意设计而 开发的设计软件，功能强大、易于 上手，能够轻松表达想法。