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熔融沉积快速成型工艺的原理及过程

熔融沉积快速成型工艺的原理及过程

赵萍;蒋华;周芝庭

【摘要】快速成型技术中的熔融沉积造型（FDM）工艺由于设备费用较低、材料利用率较高而在实际生产中得到广泛的应用.介绍了FDM的工艺原理和工艺过程,并指出该工艺的特点及应用范围.

【期刊名称】《机械制造与自动化》

【年（卷）,期】2003（000）005

【总页数】3页（P17-18，23）

【关键词】快速成型;熔融沉积造型（FDM）;CAD;工艺原理

【作者】赵萍;蒋华;周芝庭

【作者单位】东南大学工业发展与培训中心,江苏,南京,210096;东南大学工业发展与培训中心,江苏,南京,210096;东南大学工业发展与培训中心,江苏,南京,210096

【正文语种】中文

【中图分类】工业技术

·机械制造与研究赵萍等，熔融沉积快速成型工艺的原理及过程熔融沉积快速成型工艺的原理及过程赵萍，蒋华，周芝庭（东南大学工业发展与培训中心，江苏南京210096）摘要：

快速成型技术中的熔融沉积造型（FDM）工艺由于设备费用较低、材料利用率较高而在实际生产中得到广泛的应用。

介绍了FDM的工艺原理和工艺过程，并指出该工艺的特点及应用范围。

关键词：

快速成型；熔融沉积造型（FDM）；CAD；工艺原理中图分类号：

TP391.72;TP391.73文献标识码：

A文章编号：

1671-5276（2003）05-0017-02TheTechnologyTheoryandProcessforFusedDepositionModelingRapidPrototypingZHAOPing,JIANGHua,ZHOUZhi-tingCenterforIntegratedEngineering,SoutheastUniversity,JSNanjing210096,China）Abstract:

FusedDepositionModeling（FDM）inrapidprototypingtechnologyiswidelyappliedinindustrybe-causeofitslowerexpenseofequipmentandlowerconsumptionofmaterials.Inthispaper,thetheoryandprocessofFDMareintroduced.Inaddition,thecharacteristicandapplicationfieldsofFDMareproposed.Keywords:

rapidprototyping;fuseddepositionmodeling（FDM）;C,AD;technologytheoryO前言快速成型技术（RapidPrototyping）是20世纪80年代中后期发展起来的一项新型的造型技术。

RP技术是将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数控技术（CNC）、材料学和激光结合起来的综合性造型技术。

RP经过十多年的发展，已经形成了几种比较成熟的快速成型工艺：

光固化立体造型（SL-Stereolithography）、分层物体制造（LOM-LaminatedObjectManufacturing）、选择性激光烧结（SLS-SelectedLaserSintering）和熔融沉积造型（FDM-FusedDepositionModeling）等。

这四种典型的快速成型工艺的基本原理都是一样的，但各种方法各有其特点。

本文主要介绍FDM工艺的原理及其过程。

1熔融沉积造型（FDM）的工艺原理1.1快速成型技术的基本原理快速成型技术是对零件的三维CAD实体模型，按照一定的厚度进行分层切片处理，生成二维的截面信息，然后根据每一层的截面信息，利用不同的方法生成截面的形状。

这一过程反复进行，各收稿日期：

2003-05-07MachineBuildingCaAutomation,Oct2003,（5）:

17-18,23截面层层叠加，最终形成三维实体。

分层的厚度可以相等，也可以不等。

分层越薄，生成的零件精度越高，采用不等厚度分层的目的在于加快成型速度…。

1.2FDM的工艺原理如图1所示。

快速成型机的加热喷头受计算鲐利供给图lFDM工艺原理图机控制，根据水平分层数据作z-v平面运动。

丝材由送丝机构送至喷头，经过加热、熔化，从喷头挤出粘结到工作台面，然后快速冷却并凝固。

每一层截面完成后，工作台下降一层的高度，再继续进行下一层的造型。

如此重复，直至完成整个实体的造型。

每层的厚度根据喷头挤丝的直径大小确定。

·17·赵萍等，熔融沉积快速成型工艺的原理及过程萍，蒋华，周芝庭要：

快速成型技术中的熔融沉积造型（FDM）工艺由于设备费用较低、材料利用率较高而在实际生产中得到广泛的应用。

介绍了FDM的工艺原理和工艺过程，并指出该工艺的特点及应用范围。

TheTechnologyTheoryProcessforFusedDepositionModelingRapidPrototypingPing,JIANGHua,ZHOUZhi-tingCenterforIntegratedEngineering,SoutheastUniversity,JSNanjing210096,Abstract:

FusedDepositionModeling（FDM）inrapidprototypingtechnologyiswidelyappliedinindustrybe-ofitslowerexpenseofequipmentandlowerconsumptionofmaterials.thetheoryandprocessofFDMareintroduced.Inaddition,thecharacteristicandapplicationfieldsofFDMareproposed.Keywords:

rapidprototyping;fuseddepositionmodeling（FDM）;C,AD;technologytheoryO前言快速成型技术（RapidPrototyping）是20世纪80年代中后期发展起来的一项新型的造型技术。

RP光结合起来的综合性造型技术。

RP经过十多年的发展，已经形成了几种比较成熟的快速成型工艺：

光固化立体造型（SL-Stereolithography）、分层物体制造（LOM-LaminatedObjectManufacturing）、选择性激光烧结（SLS-SelectedLaserSintering）和熔融沉积造型（FDM-FusedDepositionModeling）等。

这四种典型的快速成型工艺的基本原理都是一样的，但各种方法各有其特点。

本文主要介绍FDM，按照一定的厚度进行分层切片处理，生成二维的截面信息，然后根据每一层的截面信息，利用不同的方法生成截面的形状。

这一过程反复进行，各收稿日期：

2003-05-07MachineBuildingCaAutomation,Oct2003,（5）:

17-18,23截面层层叠加，最终形成三维实体。

分层的厚度可以相等，也可以不等。

分层越薄，生成的零件精度越高，采用不等厚度分层的目的在于加快成型速度…。

1.2的工艺原理如图1所示。

快速成型机的加热喷头受计算图lFDM工艺原理图机控制，根据水平分层数据作z-v平面运动。

丝材由送丝机构送至喷头，经过加热、熔化，从喷头挤出粘结到工作台面，然后快速冷却并凝固。

每一层截面完成后，工作台下降一层的高度，再继续进行下一层的造型。

如此重复，直至完成整个实体的造型。

17赵萍等，熔融沉积快速成型工艺的原理及过程___o-o____.-o____-___o—工艺关键是保持熔融的成型材料刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固点高1℃左右‘2]目前，最常用的熔丝线材主要是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等。

1998年澳大利亚开发出了一种新型的金属材料用于FDM工艺——塑料复合材料丝。

2FDM快速成型工艺的过程快速成型的过程包括：

设计三维CAD模型、CAD模型的近似处理、对STL文件进行分层处理、造型、后处理。

如图2所示。

┏━━━━━━━━━━━┓┃l┃┣━━━━━━━━━━━┫┃f气维模型的近似处珲IlSTL文件的分层处理lf造型I┃┃I后处理I┃┗━━━━━━━━━━━┛图2快速成型的过程2.1设计三维CAD模型设计人员根据产品的要求，利用计算机辅助设计软件设计出三维CAD模型。

常用的设计软件有：

Pro/Engineering,Solidworks,MDT,Auto-CAD，UG等。

2.2三维CAD模型的近似处理产品上有许多不规则的曲面，在加工前必须对模型的这些曲面进行近似处理。

目前最普遍的方法是采用美国3DSystem公司开发的STL（Sterolithgraphy）文件格式。

用一系列相连的小三角平面来逼近曲面，得到STL格式的三维近似模型文件。

许多常用的CAD设计软件都具有这项功能，如Pro/Engineering,Solidworks,MDT,Auto-CAD，UG等。

2.3对STL文件进行分层处理由于快速成型是将模型按照一层层截面加工，累加而成的。

所以必须将STL格式的三维CAD模型转化为快速成型制造系统可接受的层片模型。

片层的厚度范围通常在0.025～0.762mm之间。

各种快速成型系统都带有分层处理软件，能自动获取模型的截面信息。

2.4造型·1

8．产品的造型包括两个方面：

支撑制作和实体制作。

2.4.1支撑制作由于FDM的工艺特点，系统必须对产品三维CAD模型做支撑处理，否则，在分层制造过程中，当上层截面大于下层截面时，上层截面的多出部分将会出现悬浮（或悬空），从而使截面部分发生塌陷或变形，影响零件原型的成型精度，甚至使产品原型不能成型。

支撑还有一个重要的目的：

建立基础层。

在工作平台和原型的底层之间建立缓冲层，使原型制作完成后便于剥离工作平台。

此外，基础支撑还可以给制造过程提供一个基准面[1]。

所以FDM造型的关键一步是制作支撑。

2.4.2实体制作在支撑的基础上进行实体的造型，自下而上层层叠加形成三维实体，这样可以保证实体造型的精度和品质。

2.5后处理快速成型的后处理主要是对原型进行表面处理。

去除实体的支撑部分，对部分实体表面进行处理，使原型精度、表面粗糙度等达到要求。

但是，原型的部分复杂和细微结构的支撑很难去除，在处理过程中会出现损坏原型表面的情况，从而影响原型的表面品质。

于是，1999年Stratasys公司开发出水溶性支撑材料，有效的解决了这个难题。

目前，我国自行研发FDM工艺还无法做到这一点，原型的后处理仍然是一个较为复杂的过程。

3FDM的特点3.1系统与运行成本快速成型系统成本较低，不需要其他快速成型系统中昂贵的激光器；成型材料价格较低；原型特别适合有空隙的结构，可节约材料与成型时间；体积小，无污染，是办公室环境的理想桌面制造系统。

但是，成型速度较慢，精度较低。

3.2适用范围适用于薄壳体零件及微小零件；原型强度比较好，近似于实体零件，可作为概念型直接验证设计。

4结束语由于FDM工艺的特点，FDM已经广泛地应用于制造行业。

它降低了产品的生产成本，缩短了生产周期，大大地提高了生产效率，给企业带来了（下转第23页）http:

//ZZHDE-mail:

ZZI-D@．en《机械制造与自动化）等，熔融沉积快速成型工艺的原理及过程目前，最常用的熔丝线材主要是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等。

1998年澳大利亚开发出了一种新型的金属材料用于FDM工艺——塑料复合材料丝。

2快速成型工艺的过程、CAD模型的近似处理、对STL文件进行分层┏━┓┃┣┫f造II后处理┗┛2快速成型的过程设计人员根据产品的要求，利用计算机辅助设计软件设计出三维CAD模型。

常用的设计软件有：

Pro/Engineering,Solidworks,MDT,Auto-，UG2.2产品上有许多不规则的曲面，在加工前必须对模型的这些曲面进行近似处理。

目前最普遍的方法是采用美国3DSystem公司开发的STLSterolithgraphy）文件格式。

用一系列相连的小三角平面来逼近曲面，得到STL格式的三维近似模型文件。

许多常用的CAD设计软件都具有这项功能，如Pro/Engineering,Solidworks,MDT,Auto-2.3对STL文件进行分层处理由于快速成型是将模型按照一层层截面加工，累加而成的。

所以必须将STL格式的三维CAD模型转化为快速成型制造系统可接受的层片模型。

片层的厚度范围通常在0.025～0.762mm之间。

各种快速成型系统都带有分层处理软件，能自动获取模型的截面信息。

2.418．作。

2.4.1支撑制作模型做支撑处理，否则，在分层制造过程中，当上层截面大于下层截面时，上层截面的多出部分将会出现悬浮（或悬空），从而使截面部分发生塌陷或变形，影响零件原型的成型精度，甚至使产品原型不能成型。

支撑还有一个重要的目的：

建立基础层。

在工作平台和原型的底层之间建立缓冲层，使原型制作完成后便于剥离工作平台。

此外，基础支撑还可以给制造过程提供一个基准面[1]。

所以在支撑的基础上进行实体的造型，自下而上层层叠加形成三维实体，这样可以保证实体造型的精度和品质。

2.5快速成型的后处理主要是对原型进行表面处去除实体的支撑部分，对部分实体表面进行处理，使原型精度、表面粗糙度等达到要求。

但是，原型的部分复杂和细微结构的支撑很难去除，在处理过程中会出现损坏原型表面的情况，从而影响原型的表面品质。

于是，1999年Stratasys公司开发出水溶性支撑材料，有效的解决了这个难题。

目前，我国自行研发FDM工艺还无法做到这一点，原型的后处理仍然是一个较为复杂的过程。

3的特点原型特别适合有空隙的结构，可节约材料与成型时间；体积小，无污染，是办公室环境的理想桌面制造系统。

但是，成型速度较慢，精度较低。

3.2适用于薄壳体零件及微小零件；原型强度比较好，近似于实体零件，可作为概念型直接验证设计。

4结束语工艺的特点，FDM已经广泛地应用于制造行业。

它降低了产品的生产成本，缩短了生产周期，大大地提高了生产效率，给企业带来了（张伟社等，基于加工精度的齿轮几何参数的选择其中凤-在定义为固定弦的点上异名齿廓的曲率半径；pb，，——法向基节。

由图l可得：

Pa-亿=（ra2一rt,2）lt2一m[0.5zsncr-（0.5h.+-r）/sin口]（3）Pa-ioL=m（0.5ha”-xo:

）sa）/sina+0.25pb,齿顶圆半径：

o=m[0.5（z+ha’）+z—z∑+0.5z∑（cos口。

/cosa-1）]式中：

口。

——啮合角。

将方程式（3）中前面部分代人代数式

（2）中，可得确定z的方程：

2[0.5ha”+r（l-2cos2a）]/sina+[（2k+l）/2];rr=za[（r.2一62）12/r6tg口）]（4）由公式（4）可取得一系列不同是时的z值（满足工艺啮合网格图对称条件的），从系列值中，可选择x值以便最大程度满足传动的质量指标。

对于上述齿轮，x值也可由等式（4）来得到。

在此情况下选择愚值应能使传动成为节点后啮合。

求得的值z-1.43，而原设计为z=0.857。

上述见解还在磨齿机中检验过：

在NZA机床上，以径切进给0.03mm／-r程，对m=3.5mm；Z=30；z=1.43和0.857的齿轮进行磨齿。

为了消除机床调整的影响；曾以5个丁值（包括上述_值）在修正砂轮后磨齿（一组接一组地）。

齿形误差测量结果见图3a（成批齿轮z=0.857）及图3b（试验齿轮z-1.43）。

从图上看，试验齿轮的齿形误差值小于成批生产齿轮。

噪音测试结果表明齿轮的噪音降低了3db。

4结论笔者的分析表明：

在机床上用蜗杆砂轮磨削e，<2的渐开线齿轮时，会发生左、右齿面切削力的不对称性，导致形成周期性的齿形误差。

分析与验证实验证实：

在设计阶段可选择适当的齿轮几何参数，能使齿形误差减小。

这种齿轮参数的最佳选择方法，对于用滚齿方法精加工齿的其它方法也适用。

参考文献[1]范垂本．齿轮强度和实验装置[M]．北京：

机械工业出版社，1980．[2]齿轮手册编委会．齿轮手册[M]．北京：

机械工业出版社．1990．[3]方宗德，蒋孝煜．齿轮轮齿受载变形的激光散斑测量及计算[J]．齿轮，1984，8（5）．[4]IS06336-93.Calculationofloadcapacityofspurandhelic[S].上接第18页）较大的经济效益。

当前快速成型技术的发展趋势是将快速成型与其他先进的设计与制造技术密切结合起来，共同发展。

参考文献：

[1]王秀峰，罗宏杰，快速原型制造技术[M】．北京：

中国轻工业出版社，2001.[2]云虹，郭毕佳．快速成型技术的典型方法比较[J].武汉纺织工学院学报，1996-0

6．址j恤●迅蛐脚盈舢‘墟越觚由皿觚且盈址蠡且蛐蛐觚蛐衄蛐蛐蛐蛐如盈越皿盈皿盈且且蛐血皿盈血皿丑血正衄如母蛐皿船蠡皿电盈皿盈正盈且正如血址且血血血上接第20页）Ps——氮的沸点密度810kg/m3。

2结论按照上述加工工艺设计路线，我公司成功地完成了大型滚轮的加工与装配任务，其加工与装配质量获得国内外有关专家认同。

实践表明，该设计路线不仅可以保证大型滚轮的加工精度，而且可以提高滚轮装配效率，是大型镶套类筒体加工行之有效MachineBuildingpAutomation.Oct2003,（5）:

21-23的方法。

参考文献[1]张家荣，赵廷元，工程常用物质的热物理性质手册[M]．北京：

新时代出版社，198

7．[2]刘鸿文，材料力学[M]．北京：

高等教育出版社，1987．[3]顾崇衔，机械制造工艺学[M]．西安：

陕西科学技术出版社．1990．·23·pb——法向基节。

由图l可得：

Pa亿=（ra2rt,2）lt2m[0.5zsncr-（0.5h.+-r）/sin口]m（0.5ha”-xo:

）sa）/sin齿顶圆半径：

o=m[0.5（z+ha’）+zz∑+0.5z∑（cos口。

/cosa-1）]得确定z的方程：

2[0.5ha+r（l2cos2a）]/sina+[（2k+由公式（4）可取得一系列不同是时的z值（满足工艺啮合网格图对称条件的），从系列值中，可选择值以便最大程度满足传动的质量指标。

对于上述齿轮，x值也可由等式（4）来得到。

在此情况下选择愚值应能使传动成为节点后啮合。

求得的值z上述见解还在磨齿机中检验过：

在NZA机床上，以径切进给0.03mm／-r程，对m=3.5mm；Z=和0.857的齿轮进行磨齿。

为了消除机床调整的影响；曾以5个丁值（包括上述_值）在修正砂轮后磨齿（一组接一组地）。

齿形误差测量结果见图3a（成批齿轮z=0.857）及图3b（试验齿轮1.43）。

从图上看，试验齿轮的齿形误差值小于成批生3db。

结论e，<2的渐开线齿轮时，会发生左、右齿面切削力的不对称性，导致形成周期性的齿形误差。

分析与验证实验证实：

在设计阶段可选择适当的齿轮几何参数，能使齿形误差减小。

这种齿轮参数的最佳选择方法，对于用滚齿方法精加工齿的其它方法也适用。

[J]齿轮，1984，8（5）．IS06336-93.Calculationofloadcapacityofspurandhelic[S].较大的经济效益。

当前快速成型技术的发展趋势是将快速成型与其他先进的设计与制造技术密切结合起来，共同发展。

出版社，2001.[2]云虹，郭毕佳．快速成型技术的典型方法比较[J].武汉纺按照上述加工工艺设计路线，我公司成功地完成了大型滚轮的加工与装配任务，其加工与装配质量获得国内外有关专家认同。

实践表明，该设计路线不仅可以保证大型滚轮的加工精度，而且可以提高滚轮装配效率，是大型镶套类筒体加工行之有效MachineBuildingpAutomation.Oct2003,（5）:

21-23的方法。

[2]刘鸿文，材料力学[M]．北京：

高等教育出版社，1987．[3]顾崇衔，机械制造工艺学[M]．西安：

陕西科学技术出版社．23

【文献来源】

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1.熔融沉积快速成型工艺过程分析及应用[J],余东满，李晓静，王笛

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5.熔融沉积快速成型工艺的精度分析及对策[J],徐巍，凌芳