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熔丝沉积快速成型
1绪论
快速成形技术是一门先进制造技术，具有非常广阔的应用前景，但是国内企业应用快速成形技术依赖国外生产的设备，导致应用成本高昂，影响了快速成形技术在国内的推广和应用。
熔丝沉积快速成形（FDM）方法是快速成形技术中的一个重要分支，它涉及到机械、数控、高分子材料和计算机等技术，熔丝沉积快速成形设备具有硬度高、不使用激光器、设备成本低等优点，其制件强度好。
因此,研究和开发国产化的熔丝沉积快速成形设备具有重要的义。
本文主要讲了熔丝沉积成型的工作原理，应用范围
2FDM快速成型技术简介
2.1熔融沉积制造技术简介：
研究熔融沉积制造（FuesdDepostionModeling简称FDM）工艺的主要有Stratasys公司和MedModeler公司。
这种技术以美国Stratasys公司开发的产品制造系统应用最为广泛。
Stratasys公司于1993年开发出第一台FDM-1650（台面为250mmx250mmx250mm）机型后，先后推出FDM-2000、FDM-3000和FDM-8000机型。
图1为美国Stratasys公司生产的Dimension型号的FDM快速成型机外形，成型尺寸203mmX203mmx305mm。
该系统采用挤出头磁浮定位（MagnicDrive）系统，可在同一时间独立控制两个挤出头。
因此其造型速度为过去的5倍。
•
图2-1DimensionBST1200es三维打印机
2.2工艺原理
熔丝沉积成型（FusedDepositionModeling简称FDM）是快速成型技术中的一种。
其工作原理如图2所示：
图2-2熔丝沉积成型工作原理图
该系统组要包括喷头、送丝机构、运动机构、加热机构，工作台5个部分。
工作时，先确定各层间距、路径宽度，计算机对计算机模型进行切片，生成路径，然后在计算机控制下喷头按路径移动出丝，喷丝粘结在工作台上已制作层面上，如此反复逐层制作，直至最后一层，这样熔丝粘结形成所要求的实体模型。
其中喷头是关键、最复杂的部分，材料在喷头中北加热熔化，喷头底部有一喷嘴供熔融的材料以一定的压力挤出，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动时挤出材料，与前一层粘结并在空气中迅速固化，如此反复进行即可得到实体零件。
它的工艺过程决定了它在制造悬臂件时需要添加支撑，这点与LOM和SLS完全不同。
现在的FDM快速成型系统一般都采用双喷头独立加热，一个用来喷模型材料制造零件，另一个用来喷支撑材料做支撑，两种材料的特性不同，制作完毕后去除支撑相当容易。
FDM工艺的关键是用液化器代替了激光器，保持半流动成型材料刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固温度高1℃左右。
FDM喷头受水平分层数据控制，当它沿着XY方向移动，半流动融丝材料从FDM喷头挤压出来，很快凝固，形成精确的层，每层厚度范围在0.025~0.762mm。
FDM是各种快速成型工艺中发展速度最快的一种。
目前，它以成为快速成型技术研究。
它主要有一下特点：
（1）成型设备简单，陈本低廉。
FDM快速成型系统是以电加热的方式将成型材料加热到熔融状态来成型的，不需要高成本件激光器，因此大大简化了设备，使之成本降低。
（2）成型过程对环境无污染。
FDM工所用的成型材料一般为无毒、无味的热塑性材料，因此对环境不会造成污染。
且设备运行时噪音也很小。
2.3工艺过程
FDM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3所示。
1设计CAD三维模型
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，AutoCAD，UG等。
2三维模型的近似处理
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。
3STL文件的分层处理
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0.025~0.762之间。
4造型
产品的造型包括两个方面:
支撑制作和实体制作。
5后处理
快速成型的后处理主要是对成型进行表面处理。
去除实体的支撑部分，对部分实体表面进行处理，使成型精度、表面粗糙度等达到要求。
但是，成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成型表面的情况，从而影响成型的表面品质。
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，成型的后处理仍然是一个较为复杂的过程。
2.4成形材料
FDM工艺对成形材料的要求是熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小。
影响材料挤出过程的主要因素是粘度。
材料的粘度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利的挤出。
材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，从而影响成形精度。
FDM工艺选用的材料为丝状热塑性材料，常用的有石蜡、塑料、尼龙丝等低熔点材料和低熔点金属、陶瓷等的线材或丝材。
在熔丝线材方面，主要材料是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料。
目前用于FDM的材料主要是美国Stratasys的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物细丝（ABSP400）、甲基丙酸烯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物细丝（ABSiP500，医用）、消失模铸造蜡丝（ICW06wax）、塑胶丝（ElastomerE20）。
适用于FDC工艺的丝状材料必须具备一定的热性能和力学性能。
2.5工艺特点
熔融沉积制造工艺作为非激光快速原型制造系统，具有以下优点：
（1）成形材料广泛。
（2）成本低。
（3）成形过程对环境无污染。
由于上述优点，FDM工艺应用广泛，且发展迅速。
用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。
用ABS工程塑料制造的原型，具有较高强度，在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。
FDM系统不仅应用于工业场合，而且是办公室环境的理想桌面制造系统。
2.6熔融沉积制造存在的问题是：
（1）只适合成形中、小塑料件；成形件的表面有较明显的条纹，质量不如SL成形件好。
（2）沿成形轴垂直方向的强度比较弱，需设计、制作支撑结构。
（3）需对整个截面进行扫描涂覆，成形时间较长，为此，可采用多个热喷头，同时进行涂覆，以便提高成形效率。
3ABS塑料
ABS树脂是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种单体共聚而成的聚合物，简称ABS，是人们在对聚苯乙烯改性中开发的一种新型材料。
由于具有很优异的综合屋里力学性能、良好的耐化学性能、容易成型加工，价格又便宜，已成为用途极广的一种工程塑料。
ABS塑料特性
ABS塑料
化学名称：
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物
英文名称:
AcrylonitrileButadieneStyrene
ABS为丙烯腈A、丁二烯B和苯乙烯S三种单体共聚而成的聚合物，简称ABS。
每种单体都具有不同特性，从形态上看，ABS是非结晶性材料。
这就决定了ABS材料的耐低温性、抗冲击性，外观特性，低蠕变性，优异的尺寸稳定性及易加工性等多种特性。
且表面硬度高、耐化学性好，同时通过改变上述三种组分的比例，可改变ABS的各种性能，故ABS工程塑料具有广泛用途。
丁二烯为ABS树脂提供低温延展性和抗冲击性，但是过多的丁二烯会降低树脂的硬度、光泽及流动性；丙烯腈为ABS树脂提供硬度、耐热性、耐酸碱盐等化学腐蚀的性质；苯乙烯为ABS树脂提供硬度、加工的流动性及产品表面的光洁度。
合成的ABS有中冲击型、高冲击型、超高冲击型及耐热型四类。
由于其具有韧、刚、硬的优点，应用范围已远远超过PS，成为一种独立的塑料品种。
ABS既可用于普通塑料又可用于工程塑料。
ABS一般参数
比重:
1.05克/立方厘米
成型收缩率:
0.4-0.7%
吸水率:
0.2%~0.45%
成型温度：
200-240℃
干燥条件：
80-90℃2小时
热变形温度为:
70—107℃
使用温度范围:
-40℃~80℃
硬度:
R65~115
3.1制备方法
工业上生产ABS可以采用多种方法，这些方法大体可以归结为两大类：
共混法和接枝共聚法。
1．共混法
共混法是将AS树脂与丁腈橡胶按要求的比例进行熔融混炼，其混炼方法可有以下两种：
（1）将AS固体树脂（其组成中含丙烯腈30%）65份与丁腈橡胶35份，加上硫化剂和其他血药的助剂，在辊筒上进行混炼。
混炼方法是先将AS树脂于149~205℃在混炼机辊筒上使之塑化，再加上丁腈橡胶继续混炼20min，可得到均匀的共混ABS。
（2）先用乳液聚合分别制备出AS树脂乳液和丁腈橡胶乳液，再将两种乳液按比列混合均匀，并加入必要的助剂，用BaCl2,NaCl或乙酸破乳沉淀，分离水洗、干燥、送入螺杆挤出机中混炼、挤出造粒，即得到ABS树脂粒料。
2．接枝共聚法
（1）乳液接枝共聚法
用此法先需制备聚丁二烯胶乳。
用过氧化异丙苯做引发剂，油酸钠做乳化剂，在约10℃左右对丁二烯进行乳液聚合转化率75%，即得丁二烯胶乳。
将丁二烯胶乳30份（以固体含量记）、苯乙烯50份、丙烯腈20份加入带有高速搅拌的反应釜中（内含300份水），并以硫酸钾为引发剂，油酸钠为乳化剂，并加少量链转化剂，在氮气保护下与65~75℃下反应，得ABS胶乳。
用NaCl破乳沉淀，离心分离、干燥，挤出造粒即得ABS料粒。
（2）本体悬浮接枝共聚法
将顺丁苯橡胶溶于丙烯腈、苯乙烯两种单体混合液中，进行本体聚合，当转化率达到25%~35%时，倾入水中进行悬浮聚合，将共聚物离心脱水，洗涤并干燥，挤出造粒。
3.2结构与性能
3.2.1结构
ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三元共聚物，具有结构通式
其分子链中三种单体比例可在较大范围内调节，其大致的比例范围是：
a=0.2~0.3，b=0.05~0.4，c=0.4~0.7。
由共混法与接枝共聚法制得的ABS结构上有较明显差异，共混法制得的ABS基本上是AS树脂与丁腈橡胶的两相混合物，其结构示意图可用下图表示：
两相混合物
接枝共聚法得到的ABS是AS树脂分子链与丁二烯分子链接枝的结构。
3.2.2性能
1.一般性能
ABS的外观为不透明呈象牙色的粒料，无毒、无味、吸水率低其制品可着成各种颜色，并具有90%的高光泽度。
ABS的相对密度为1.05，ABS同其它材料的结合性好，易于表面印刷、涂层和镀层处理。
ABS的氧指数为18.2，属易燃聚合物，火焰呈黄色，有黑烟，烧焦但不滴落，并发出特殊的肉桂味。
ABS是一种综合性能十分良好的树脂，在比较宽广的温度范围内具有较高的冲击强度和表面硬度，热变形温度比PA、PVC高，尺寸稳定性好，收缩率在0.4%～0.8%范围内，若经玻纤增强后可以减少到0.2%～0.4%，而且绝少出现塑后收缩。
其临界表面张力为34—38mN/cm。
ABS熔体的流动性比PVC和PC好，但比PE、PA及PS差，与POM和HIPS类似。
ABS的流动特性属非牛顿流体，其熔体粘度与加工温度和剪切速率都有关系，但对剪切速率更为敏感。
2力学性能
ABS有优良的力学性能，其冲击强度极好，可以在极低的温度下使用。
即使ABS制品被破坏，也只能是拉伸破坏而不会是冲击破坏。
ABS的耐磨性能优良，尺寸稳定性好，又具有耐油性，可用于中等载荷和转速下的轴承。
ABS的蠕变性比PSF及PC大，但比PA和POM小。
ABS的弯曲强度和压缩强度属塑料中较差的。
ABS的力学性能受温度的
影响较大。
表3-1列出了ABS塑料力学性能测试值。
表3-1各品级的ABS塑料典型的力学性能
性能
品级
中冲击级
高冲击级
超高冲击级
高耐热级
电镀级
阻燃级
拉伸强度
/MPa
42.8~46.9
35.2~42.8
31.1~34.5
41.1~49.7
40~47.6
40~50.4
拉伸模量/MPa
2346~2622
2070~2346
1518~2070
1794~2415
2277~2898
2208~2622
弯曲强度/MPa
72.5~79.4
58.7~72.5
48.3~58.7
69~86.3
69~86.3
69~84.9
弯曲模量/MPa
2484~2967
1932~2484
1725~1932
2139~2622
2346~2898
2277~2760
悬梁缺口冲击强度（24℃）/（kJ/m）
7.5~21.5
21.5~32
32~49
12.3~32
27.7~37.3
12.8~21.3
洛氏硬度
R108~118
R102~113
R90~100
R108~111
R103~111
R97~102
3热学性能
ABS属于无定形聚合物，无明显熔点；熔体粘度较高，流动性差；热稳定不太好，耐候性较差，紫外线可使变色；热变形温度为70—107℃，制品经退火处理后还可提高10℃左右。
对温度，剪切速率都比较敏感；ABS在－40℃时仍能表现出一定的韧性，可在-40℃到80℃的温度范围内长期使用，不同品级的ABS各种热性能数据有所差别。
表3-2列出了ABS各品级的集中热性能指标测试值。
表3-2ABS的典型热性能数据
性能
品级
中冲击级
高冲击级
超高冲击级
高耐热级
电镀级
阻燃级
热变形温度/℃
0.45MPa
93~105
96~102
91~96
102~121
97~103
96
1.81MPa
102~107
99~107
87~91
94~110
89~98
85~88
线胀系数/（10-5·K-1）
7.9~9.9
9.5~10.6
10.4~11
6.7~9.2
6.5~8.1
—
最高连续使用温度/℃
60~75
60~75
60
60~75
60
60~80
4电学性能
ABS的电绝缘性较好，并且几乎不受温度、湿度和频率的影响，可在大多数环境下使用。
表3-3中列出了ABS塑料电性能只是范围。
表3-3ABS的电性能
性能
数值
性能
数值
介电常数
103Hz
2.89~3.5
介质损耗因数
103Hz
（0.69~1.5）×10-2
106Hz
2.87~3.2
106Hz
（0.83~3.1）×10-2
体积电阻率/（Ω·m）
（2~4）×1013
耐电弧形/s
50~85
介电强度（kV·mm-1）
12~16
5耐化学试剂耐溶性
ABS具有较良好的耐化学试剂性，除了浓的氧化性酸之外，对各种酸、碱、盐类都比较稳定，与各种食品、药物、香油精长期接触也不会引起什么变化。
醇类、烃类对ABS无溶解作用。
只能在长期接触中使它慢慢溶胀，醛、酮、酯、氯代烃等极性溶剂可以使它溶解或与之形成乳浊液，冰酯酸、植物油可以引起应力开裂。
6ABS的“阻燃添加剂”
对ABS塑料具有较好阻燃作用的主要有磷系、卤系有机物及某些无机化合物，其中无机阻燃剂在ABS中添加量需要达到40%以上才有较明显的效果，同时由于其添加量大，因此会严重损害ABS的物理力学性能。
而磷系阻燃剂品种、数量较少，且多数又为液体和低熔点化合物，不适用于ABS的造粒加工工艺。
因此，当前对于ABS的阻燃体系主要采用卤系阻燃剂，其中阻燃效果最好的为含溴有机化合物，如十溴联苯醚（DBDPO）、四溴双酚A等。
7耐候性
ABS分子链中的丁二烯部分含有双键，使它的耐候性较差，在紫外线或热的作用下易氧化降解。
特别对于波长不足350nm的紫外光部分更敏感。
老化破坏的宏观表现是使材料变脆，例如经过半年户外暴露的ABS试样冲击强度可下降10%。
老化的脆化层起初增长较快，随后变慢。
加入酚类抗氧化剂或炭黑可在一定程度上改善老化性能。
3.3ABS塑料的成型加工
1工艺特性
ABS同PS一样是一种加工性能优良的热塑性塑料，可用通用的加工方法加工。
ABS具有良好的成型加工性，制品表面光洁度高，且具有良好的涂装性和染色性，可电镀成多种色泽。
比热容较低，在模具中凝固较快，模塑周期短，制件尺寸稳定，表面光泽。
ABS是屋顶性聚合物，无明显熔点，熔融流动性温度不太高，随所含三种单体比例不同，在160~190℃范围具有充分的流动性，且热稳定性好，不易出现热降解现象。
ABS的吸水性较高，加工前应进行干燥处理。
一般制品的干燥条件为80℃-85℃，2-4小时；对特殊要求的制品（如电镀），则需70℃-80℃，10-18小时。
ABS制品在加工中易产生内应力，如应力太大或制品对应力开裂绝对禁止，应进行退火处理，具体方法是制品置于70℃-80℃的热风循环干燥箱内2~4小时，再冷却到室温即可。
ABS具有较小的成型收缩率，收缩率变化最大范围约为0.3%~0.8%在多数情况下，其变化小雨该范围。
2加工工艺
1注塑:
注塑是ABS塑料最重要的成型方法，可以采用柱塞式注塑机，但更常用螺杆式注塑机，后者更适于形状复杂制品、大型制品成型。
表3-4列出了ABS的典型注塑工艺条件。
表3-4ABS塑料挤出工艺条件
工艺参数
通用型
高耐热型
阻燃型
料筒温度/℃
后部
180~200
190~200
170~190
中部
210~230
220~240
200~220
前部
200~210
200~220
190~200
喷嘴温度/℃
180~190
190~200
180~190
模具温度/℃
50~70
60~85
50~70
注射压力/MPa
70~90
85~120
60~100
螺杆转速/（r·min-1）
30~60
30~60
20~60
2挤出
ABS可以再通用型单螺杆挤出机上挤出管、棒、板等型材，可以用渐变型螺杆，也可以采用突变性螺杆，螺杆长径比一般是18~20之间，压缩比为2.5~3.0之间。
表3-5是ABS挤出的典型工艺
表3-5ABS挤出成型工艺条件
工艺参数
管材
棒材
料筒温度/℃
后部
160~165
160~170
中部
170~175
170~175
前部
175~180
175~180
口模温度/℃
175~180
150~160
模唇温度/℃
190~195
170~180
螺杆转速/（r·min-1）
10.5
11~14
3ABS塑料的应用范围.
ABS是本世纪40年代发展起来的通用热塑性工程塑料，是一个综合力学性能十分优秀的塑料品种，不仅具有良好的刚性、硬度和加工流动性，而且具有高韧性特点，可以注塑、挤出或热成型。
大部分汽车部件都是用注塑成型方法加工的，ABS树脂的优点是抗冲性、隔音性、耐划痕性，耐热性更好，比PP更美观，特别在横向抗冲性和使用温度较为严格的部件。
ABS树脂是汽车中使用仅次于聚氨脂和聚丙烯的第三大树脂。
ABS树脂可用于车内和车外部外壳，方向盘、导油管及把手和按钮等小部件，车外部包括前散热器护栅和灯罩等。
ABS树脂容易加工，加工尺寸稳定性和表面光泽好，容易涂装、着色，还可以进行喷涂金属、电镀、焊接和粘接等二次加工性能，可广泛应用于电子电器领域，包括各种办公和消费性电子/电器，办公电器包括电子数据处理机、办公室设备。
近年来在电子电器市场，ABS树脂在要求阻燃和高耐热的电子/电器市场中将保持其地位，阻燃与耐高热的ABS树脂在与ABS/PC等工程塑料合金的竞争中具有明显的优势。
ABS树脂在日用消费品领域具有广泛的应用，比如建材管材、板材或片材，近年来被价格更为低廉的PVC树脂取代了一部分。
ABS树脂用于与建筑有关的领域，其中挤出片材用于卫生器具如澡盒、游泳池衬里等，另外注塑成型的管材和管件，少量生产挤出成型的电话电缆管线。
其主要用于机械、电气、纺织、汽车和造船等工业。
在ABS消费结构中主要是家用电器、机械配件、办公用品和用具等。
同时ABS在通讯器材、商品器材、文教娱乐用品及建材的需求前景也十分看好。
壳体材料:
广泛用于制造电话机、移动电话、电视机、收录机、复印机、传真机、洗衣机、电动工具、打字机键盘、厨房用品及儿童玩具的壳体。
机械配件:
可用于制造齿轮、叶轮、轴承、把手、管材、管件、蓄电池槽等。
汽车配件:
具体品种有方向盘、仪表盘、风扇叶片、挡泥板、仪表板，工具舱门，车轮盖，反光镜盒、手柄及扶手等。
其他制品:
各类化工耐腐蚀管道、镀金制品、文具、仿木制品、头发烘干机，搅拌器，食品加工机，割草机，高尔夫球手推车以及喷气式雪撬车等。
4ABS丝制作实验
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