第5章 熔融沉积成型工艺及材料
熔融沉积快速成型工艺课件
03
节约成本和时间
通过熔融沉积快速成型工艺，可以快 速制造出复杂结构件的原型或批量产 品，相比传统加工方法，大大节约了 成本和时间。
案例二：个性化定制产品的生产
定制化设计
熔融沉积快速成型工艺能够根据客户需求进行个性化产品设计， 并在短时间内制造出产品原型，满足客户的定制化需求。
多样化材料选择
该工艺支持使用多种材料，可以根据产品功能和外观要求，选择合 适的材料进行制造，进一步增加产品的个性化。
以便能够顺利从喷嘴中挤出并 形成精确的结构。
热稳定性好
材料在高温下应保持稳定，不易分 解或变质，以确保成型过程的顺利 进行。
机械性能优异
成型后的材料应具有足够的强度、 刚度和韧性，以满足实际使用需求。
常用材料介 绍
01
ABS
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，是一种常用的热塑性塑料，具有优异的
机械性能、耐热性和耐化学腐蚀性，广泛应用于汽车、电子电器等领域。
熔融沉积快速成型工艺可用 于快速制造出产品的原型， 以便进行设计和功能的验证。
低成本生产
对于小批量生产，熔融沉积 快速成型工艺可以较低的成 本制造出具有一定复杂度的 物体。
教育科研
该工艺可用于教育和科研领 域，为学生提供实践机会， 帮助研究人员进行科学实验 和验证。
创意设计
熔融沉积快速成型工艺能够 实现将设计师的创意转化为 现实，为艺术创作和个性化 定制提供了新的可能性。
02
PLA
聚乳酸，是一种生物降解塑料，由可再生植物资源提取而来，具有良好
的可加工性、生物相容性和环保性，常用于3D打印、食品包装等领域。
03
Nylon
尼龙材料是一种合成聚合物，具有优异的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性，
熔融沉积快速成型工艺
熔融沉积快速成型工艺
SLA LOM SLS/SLM FDM
熔融沉积快速成型工艺FDM是继光固化快速成型和叠层实体快速成型工艺后的另一种应用比较广泛的快速成型工艺方法。
1，熔融沉积快速成型工艺基本原理和特点
熔融沉积又叫熔丝沉积，丝状
2，熔融沉积成型工艺的特点
系统构造和原理简单，运行维护费用低（无激光器）
原材料无毒，适宜在办公环境安装使用
用蜡成型的零件原理，可以直接用于失蜡铸造
支撑去除简单
可直接制作彩色原理
缺点:
成型件表面有较明显条纹
需要设计与制作支撑结构
对原型材料的要求:熔融温度低，粘度低，粘结性好，收缩率小
2.前处理cad建模
3.STL检验
4.确定摆放位置
去除支撑，打磨
材料性能的影响:1改进材料配方，2设计时考虑收缩量进行尺寸补偿
2，喷头温度和成型室温度的影响
措施:1，喷头温度应根据丝材的性质在一定范围内选择，以保证挤出的丝呈熔融流动状态2，一般将成型室
3
4，分层厚度的影响
措施：兼顾效率和精度确定分层厚度，必要时可通过打磨提高表面质量与精度
5，成型时间的影响
措施：加工时控制好喷嘴的工作温度和每层的成型时间，已获得精度较高的成型件
6，扫描方式的影响
措施：可采用复合扫描方式，既外部轮廓。
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。
熔融沉积快速成型工艺
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快速成形制件可能出现的 内部缺陷
❖ 1.环形填充式的中线空洞和光栅填充式的半 周界空洞
快速成形制件可能出现的 内部缺陷
❖ 在采用圆环形填充方式来填充时，可以将 每一层截面划分成多个环形面，如果采用由 外向内填充，当所剩区域的宽度小于一个路 宽时，就认为环形面已经填充完毕，喷嘴将 移动到其它为填充的环形面区域。所以，不 可能使设置的路宽正好将所填充的环形面全 部填满，因而，在环形面的中心处常常留下 一个狭长的空洞。
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 内部缺陷
快速成形制件可能出现的 内部缺陷
❖ 解决方法：改变环形填充的算法，要求有不 完整的填充环出现，也就是说允许宽度小于 一个路宽时，继续填充。
快速成形制件可能出现的 内部缺陷
❖ 在采用光栅填充方式时，喷头在周界的转 角处，存在一个急转弯的运动轨迹，就像骑 自行车时，本来是沿着直道走，突然前边有 个拐弯处，这时并没有刹车，所以在急转弯 处会有很大的向心力，运动轨迹就是一条曲 线，这样，在喷头的转弯处就会有不足的材 料填充，形成半周界的空洞。
❖ （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。
软件系统
❖ 软件系统由几何建模和信息处理组成。 ❖ （1）几何建模单元是设计人员借助三维软件，
3D打印技术之熔融沉积成型工艺(FDM)
2D图案定制个性化礼物、3D打印产品/手板和3D打印机—首选忆典定制3D打印技术之熔融沉积成型工艺（FDM）熔融沉积成型工艺（Fused Deposition Modeling，FDM）是继LOM工艺和SLA 工艺之后发展起来的一种3D打印技术。
该技术由Scott Crump于1988年发明，随后Scott Crump创立了Stratasys公司。
1992年，Stratasys公司推出了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机——“3D造型者（3D Modeler）”，这也标志着FDM技术步入商用阶段。
国内的清华大学、北京大学、中科院广州电子技术有限公司都是较早引进FDM技术并进行研究的科研单位。
FDM工艺无需激光系统的支持，所用的成型材料也相对低廉，总体性价比高，这也是众多开源桌面3D打印机主要采用的技术方案。
熔融沉积有时候又被称为熔丝沉积，它将丝状的热熔性材料进行加热融化，通过带有微细喷嘴的挤出机把材料挤出来。
喷头可以沿X轴的方向进行移动，工作台则沿Y轴和Z轴方向移动（当然不同的设备其机械结构的设计也许不一样），熔融的丝材被挤出后随即会和前一层材料粘合在一起。
一层材料沉积后工作台将按预定的增量下降一个厚度，然后重复以上的步骤直到工件完全成型。
下面我们一起来看看FDM的详细技术原理：2D图案定制个性化礼物、3D打印产品/手板和3D打印机—首选忆典定制热熔性丝材（通常为ABS或PLA材料）先被缠绕在供料辊上，由步进电机驱动辊子旋转，丝材在主动辊与从动辊的摩擦力作用下向挤出机喷头送出。
在供料辊和喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便丝材能够顺利准确地由供料辊送到喷头的内腔。
喷头的上方有电阻丝式加热器，在加热器的作用下丝材被加热到熔融状态，然后通过挤出机把材料挤压到工作台上，材料冷却后便形形成了工件的截面轮廓。
采用FDM工艺制作具有悬空结构的工件原型时需要有支撑结构的支持，为了节省材料成本和提高成型的效率，新型的FDM设备会采用了双喷头的设计，一个喷头负责挤出成型材料，另外一个喷头负责挤出支撑材料。
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。
4
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
熔融沉积成型
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优势及不足
熔融沉积成型技术之所以能够得到广泛应用，主要是由于其具有其他快速成型工艺所不具备的优势，具体表 现为以下几方面：
此外，熔融沉积成型技术还有以下优点：用石蜡成型的制件，能够快速直接地用于失蜡铸造；能制造任意复 杂外形曲面的模型件；可直接制作彩色的模型制件。当然，和其他快速成型工艺相比较而言，熔融沉积成型技术 在以下方面还存在一定的不足：
快速成型技术
快速成型技术是利用三维建模软件快速生成模型和实体零件的技术总称。它是一种新颖的零件制造方式，应 用层层堆积、增材制造的手段生产加工零件。3D打印与传统的铸造、机械加工等方法相比，更容易适应产品设计 的变化，缩短了产品开发周期。依靠此技术可以生成非常复杂的实体，而且成型的过程中无需模具的辅助。快速 成型技术涉及到 CAD技术、材料科学、数控技术、电子技术、机械工程和激光技术等多种领域，是实现产品从二 维模型转换为三维实体的一种制造方式。快速成型技术有很多种成熟的工艺方法，如熔融沉积成型制造工艺、光 固化快速成型工艺、激光烧结工艺、叠层实体制造工艺。
快速成型技术是由计算机利用三维建模软件构建三维模型，随后依据工艺规划，将建立的模型分散成一系列 有序的二维单元，一般在 Z向根据厚度要求首先进行分层，把三维模型分离成一系列的二维切片，然后根据每一 层的轮廓信息，输入设计的加工参数，生成加工程序，最后经由快速成型系统将零件自动成型，从而得到一个三 维物理模型。
简介
熔融沉积成型，(Fused deposition modeling, FDM)，是一种将各种热熔性的丝状材料（蜡、ABS和尼龙 等）加热熔化成形的方法，是3D打印技术的一种。又可被称为FFM熔丝成型 (Fused Filament Modeling)或FFF 熔丝制造 (Fused Filament Fabrication)，其后两个不同名词主要只是为了避开前者FDM专利问题，然而核心 技术原理与应用其实均是相同的。热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型的部分温度稍低于固化温度。 热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一个层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个 层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体零件 。
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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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
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5.2 成型原理及工艺
5.2.1 成型原理
1.熔融挤出过程 FDM工艺采用喷头加热器将丝状或粒状热熔性材料加 热熔化，并以极细丝状从喷嘴挤出。 在温度达到丝材软化点之前，丝材与加热腔之间有
一段间隙不变的区域，称为加料段。 随着丝材表面温度升高，物料熔化，形成一段丝材
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5.2 成型原理及工艺
5.2.2 成型工艺 2.成型过程
双喷头设计，两个喷头分别成型模型实体材料和支撑材料。
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5.2 成型原理及工艺
5.2.2 成型工艺 3.后处理
对原型进行表面处理，除了去除支撑外，还包括对模型的抛光打磨。
5.2 成型原理及工艺
5.2.3 工艺特点
缺点： （1）成型件成型精度较低 （2）成型件易发生层间断裂现象 （3）需要设计和制作支撑结构 （4）成型时间较长，不适合成型大型件
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5.3 成型系统
FDM成型系统主要由机械系统和控制系统两部分组成： 机械系统主要包括框架支撑系统、三轴运动系统、喷头打印系统等； 控制系统主要由硬件系统和软件系统组成。
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 2）锥形圆管中的熔体流动 整个流道中的总压力差∆P为两段圆形管道和
一段锥形管道三段压力差之和。
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5.2.1 成型原理 4.丝材粘结机理
5.2 成型原理及工艺
材料确定条件下，丝材粘结界面温度越高，有效扩散时间越充分，分 子运动就越剧烈，丝材中越过界面的分子扩散量越多。
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5.2.1 成型原理 2.喷头内熔体的热平衡
5.2 成型原理及工艺
热平衡的一般形式为：
进入系统的热流-离开系统的热流+ 单位时间内系统产生的热量=单位时 间内系统内存储的热量
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2.成型过程
在计算机控制下，电机驱动送料机构使丝材不 断地向喷头送进，丝材在喷头中通过加热器将其加 热成熔融态，计算机根据分层截面信息控制喷头沿 一定路径和速度移动，熔融态材料从喷头中不断被 挤出，随即与前一层粘结在一起。每成型一层，喷 头上升一截面层的高度或工作台下降一个层的厚度， 继续填充下一层，如此反复，直至完成整个实体造 型。
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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 1）等截面圆形管道中的熔体流动
假设熔体沿z向流动是等温且稳定的，忽略入口 效应且流动是充分发展的，则此时的流动流场 可简化为z方向单向流动。
压力差为：
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5.2.2 成型工艺 1.前处理
5.2 成型原理及工艺
01
CAD三 维建模
02
STL文件 转换及修 复
03
确定摆放 方位
04 切片分层
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5.2 成型原理及工艺
5.2.2 成型工艺
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3D打印成型工艺及材料
第5章 熔融沉积成型工艺及材料
3D打印技术研究所
熔融沉积成型工艺及材料 Nantong Institute of Technology
1
概述
2
成型原理及工艺
3
成型系统
4
成型材料
5
成型影响因素
6
典型应用
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5.1 概述
Scott Crump于1988年首先提出了熔融沉积成型思 想，并在同年成立了Stratasys公司。
Stratasys公司从1993年开始先后推出了FDM1650 、FDM2000、FDM3000和FDM8000等机型。
1998年推出的FDM-Quantum机型，采用挤出头磁 浮定位系统，可同时独立控制两个喷头，其中一个喷 头用于填充成型材料，另一个喷头用于填充支撑材料， 其造型速度为过去的5倍。