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)

熔融沉积快速成型法(Fused Deposition Modeling，简称FDM)，是快速成型技术(Rapid Prototyping，简称RP)中的一种典型的成形方法。快速成形技术采用离散和堆积的原理［1］，与传统制造方法有着本质的区别，近年来这种绿色的三维打印方法已经广泛应用于航天航空、汽车、武器、家电产品及模具制造等领域。

1 FDM工艺原理与工艺特点

1.1 工艺原理

熔融沉积又叫熔丝沉积、熔化堆积法［2］，它是将丝状的热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤压出来［3］。熔融沉积成型工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，以丝状供料，丝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，经喷嘴挤出;熔融态的丝状材料被挤压出来，按照计算机给出的截面轮廓信息，随喷头的运动，选择性地涂覆在工作台的制件基座上，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［4］。

1.2 工艺特点

(1)该工艺不使用激光，维护简单，成本低;(2)选用丝材清洁，不会在设备中或附近形成粉末或液体污染，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，一般较高的成型速度可以达到30～80 cm3/h。

2 FDM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撑，支撑是为了支撑原型悬空部分，可选用比较廉价的材料［5］，防止原型因自重而变形。以下实验描述以北京殷华公司MEM300FDM成型机为例，如图2。

3 FDM的支撑设计

3.1 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。

3.2 支撑的种类

FDM技术提供两种类型的支撑:

(1)Water Works(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)Break Away Support Structure(BASS)(易剥离性支撑):水溶性支撑的前身，由手工将支撑从工件表面剥离以移除。

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 FDM工艺过程

4.1 启动Aurora软件

Aurora软件是快速成型软件，它输入STL模型，进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，几乎所有的CAD系统都支持该格式，如UG、Pro/E、Auto-CAD、SolidWorks等，在CAD系统或反求系统中得到零件三维模型后，可将其以STL格式输出［6］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

载入二维层片模型(CLI模型)，CLI模型包括轮廓、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。

5 FDM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，瓶子内部支撑也比较难剥离，而且打印时间较长，但是图4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;(6)如果有较小直径(小于10 mm)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。

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。

［1］刘洪军，李亚敏，曹池.快速模具制造技术分析与发展趋势［J］.模具工业，2010，36(3):63 －66.

［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析［J］.新技术新工艺，2010(12):5 －8.

［3］王明娣，芮延年.快速成型技术在模具制造中的应用［J］.苏州大学学报:工科版，2004(10):66 －69.

［4］袁小江.模具制造工艺［M］.北京:机械工业出版社，2011:151－158.

［5］眭润舟.快速原型技术及模具［J］.制造现代塑料加工应用，2000(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.