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第五节熔融沉积快速成型工艺熔融沉积快速成型（FusedDepositionModeling，简称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。该工艺方法以美国Stratasys公司开发的FDM制造系统应用最为广泛。该公司自1993年开发出第一台FDM1650机型后，先后推出了FDM2000、FDM3000、FDM8000及1998年推出的引人注目的FDMQuantum机型，FDMQuantum机型的最大造型体积达到600mm×500mm×600mm。国内的清华大学与北京殷华公司也较早地进行了FDM工艺商品化系统的研制工作，并推出熔融挤压制造设备MEM250等。模具工程技术研究中心METRCξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC一、熔融沉积工艺的基本原理熔融沉积又叫熔丝沉积，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喷出来。喷头可沿着X轴方向移动，而工作台则沿Y轴方向移动。如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。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，直至完成整个实体造型。熔融沉积制造工艺的具体过程如下：ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC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。ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC一个喷头用于沉积模型材料，一个喷头用于沉积支撑材料。一般来说，模型材料丝精细而且成本较高，沉积的效率也较低。而支撑材料丝较粗且成本较低，沉积的效率也较高。双喷头的优点除了沉积过程中具有较高的沉积效率和降低模型制作成本以外，还可以灵活地选择具有特殊性能的支撑材料，以便于后处理过程中支撑材料的去除，如水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等。ξ2快速成型制造工艺系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。优点模具工程技术研究中心METRC二、熔融沉积工艺的特点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。成型件的表面有较明显的条纹。缺点沿成型轴垂直方向的强度比较弱。需要设计与制作支撑结构。需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。原材料价格昂贵。ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRCξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRCξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC三、熔融沉积工艺成形过程影响因素分析材料性能的影响喷头温度和成形室温度的影响挤出速度的影响填充速度与挤出速度交互的影响分层厚度的影响成形时间的影响扫描方式的影响ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC四、气压式熔融沉积快速成形系统（一）气压式熔融沉积快速成形系统的工作原理ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC气压式熔融沉积快速成形系统（Air-pressureJetSolidification，AJS）的工作原理如图所示：被加热到一定温度的低粘性材料(该材料可由不同相组成，如粉末—粘结剂的混合物)，通过空气压缩机提供的压力由喷头挤出，涂覆于工作平台或前一沉积层之上。喷头按当前层的层面几何形状进行扫描堆积，实现逐层沉积凝固。工作台由计算机系统控制作X、Y、Z三维运动，可逐层制造三维实体和直接制造空间曲面。AJS系统主要由控制、加热与冷却、挤压、喷头机构、可升降工作台及支架机构6部分组成。其中控制用计算机配置有CAD模型切片软件和加支撑软件，对三维模型进行切片和诊断，并在零件的高度方向，模拟显示出每隔一定时间的一系列横截面的轮廓，加支撑软件对零件进行自动加支撑处理。数据处理完毕后，混合均匀的材料按一定比例人工送入加热室。加热室由电阻丝加热，经热电阻测温并由温度控制器使其温度恒定，使材料处于良好的熔融挤压状态，后经压力传感器测压后进行挤压，制造原型零件。控制系统能使整个AJS系统实现自动控制，其中包括气路的通断、喷头的喷射速度以及喷射量与原型零件整体制造速度的匹配等。ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC（二）气压式熔融沉积快速成形系统的特点成型材料广泛一般的热塑性材料如塑料、尼龙、橡胶、蜡等，作适当改性后都可用于沉积成形。设备成本低、体积小熔融沉积成形是靠材料熔融时的粘性粘结成形，不象SLA、LOM、SLS等工艺靠激光的作用来成形，没有激光器及其电源和树脂槽，大大简化了设备，使成本降低。熔融沉积成形设备运行、维护容易，工作可靠，是桌面化快速成形设备的最佳工艺。无污染熔融沉积成形所用的材料为无毒、无味的热塑性材料，并且废弃的材料还可以回收利用，因此材料对周围环境不会造成污染。ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC（三）与传统FDM的不同之处①FDM工艺一般采用低熔点丝状材料，如蜡丝或ABS塑料丝，如果采用高熔点的热塑性复合材料，或对于一些不易加工成丝材的材料，如EVA材料等，就会相当困难。该系统无需再采用专门的挤压成丝设备来制造丝材，工作时只需将热塑性材料直接倒入喷头的腔体内，依靠加热装置将其加热到熔融挤压状态，不但避免了必须采用丝材材料这一限制，而且节省了一道工序，提高了生产效率。②所选的空气压缩机可提供1MPa范围内任何大小的气压，能准确控制到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。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，难免会有由于送丝滚轮的往复运动致使挤出过程不连续和因振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系统由于没有了送丝部分而使喷头变得轻巧，减小了机构的振动，提高了成形精度。ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC五、熔融沉积快速成型技术的应用FDM快速成型技术已被广泛应用于汽车、机械、航空航天、家电、通讯、电子、建筑、医学、玩具等产品的设计开发过程，如产品外观评估、方案选择、装配检查、功能测试、用户看样订货、塑料件开模前校验设计以及少量产品制造等，也应用于政府、大学及研究所等机构。用传统方法须几个星期、几个月才能制造的复杂产品原型，用FDM成型法无需任何刀具和模具，瞬间便可完成。丰田公司采用FDM工艺制作右侧镜支架和四个门把手的母模，通过快速模具技术制作产品而取代传统的CNC制模方式，使得2000Avalon车型的制造成本显著降低，右侧镜支架模具成本降低20万美元，四个门把手模具成本降低30万美元。FDM工艺已经为丰田公司在轿车制造方面节省了200万美元。（1）FDM在日本丰田公司的应用ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC从事模型制造的美国RapidModels&Prototypes公司采用FDM工艺为生产厂商LaramieToys制作了玩具水枪模型，如图所示。借助FDM工艺制作该玩具水枪模型，通过将多个零件一体制作，减少了传统制作方式制作模型的部件数量，避免了焊接与螺纹连接等组装环节，显著提高了模型制作的效率。（2）FDM在美国快速原型制造公司的应用采用FDM工艺制作玩具水枪ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRCMizuno是世界上最大的综合性体育用品制造公司。1997年1月，Mizuno美国公司开发一套新的高尔夫球杆，通常需要13个月的时间。FDM的应用大大缩短了这个过程，设计出的新高尔夫球头用FDM制作后，可以迅速地得到反馈意见并进行修改，大大加快了造型阶段的设计验证，一旦设计定型，FDM最后制造出的ABS原型就可以作为加工基准在CNC机床上进行钢制母模的加工。新的高尔夫球杆整个开发周期在7个月内就全部完成，缩短了40%的时间。目前，FDM快速原型技术已成为Mizuno美国公司在产品开发过程中起决定性作用的组成部分。（3）FDM在Mizunos公司的应用ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC福特公司常年需要部件的衬板，当部件从一厂到另一厂的运输过程中，衬板用于支撑、缓冲和防护。衬板的前表面根据部件的几何形状而改变。福特公司一年间要采用一系列的衬板，一般地，每种衬板改型要花费成千万美元和12周时间制作必需的模具。新衬板的注塑消失模被联合公司选作生产部件后，部件的蜡靠模采用FDM制作，制作周期仅3天。其间，必须小心的检验蜡靠模的尺寸，测出模具收缩趋向。紧接着从铸造石蜡模翻出A2钢模，该处理过程将花费一周时间。模具接着车削外表面，划上修改线和水平线以便机械加工。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。（4）FDM在福特公司的应用ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC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TaeSunByun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FDMMaxum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。现代公司计划再安装第二套RP快速原型系统，并仍将选择FDMMaxum，TaeSunByun说：“该系统完美地符合我们的设计要求，并能在30个月内收回成本。”（5）FDM在韩国现代公司的应用现代汽车公司采用FDM工艺制作的某车型的仪表盘ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC实际上，FDM工艺的应用除了上述提及的在汽车领域的应用外，在其他领域的应用也是十分广泛的，下图给出了采用FDM工艺制作的多种原型。ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中心METRC模具工程技术研究中