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(1)技术原理
熔融沉积还可以被命名为熔丝沉积。
其原材料为丝状的热熔性材料,采用喷嘴微细的挤出机沿着X轴挤出材料,工作台沿着Y轴和Z轴移动,当熔融的丝材被挤出来以后,就会和上一层的材料粘结起来。
在一层材料沉积之后,工作台会按照预先设定好的增量值,下降一个层厚,不断重复以上步骤,由此完成制件的成型。
图2-11为FDM的详细技术原理。
热熔性丝材的主要材料是PLA或ABS材料,先把材料缠绕在供料辊的上面,再由步进电机来驱动辊子,在主动辊和从动辊制件的摩擦力下,丝材从挤出机的喷头被送出。
同时,在喷头和供料辊制件之外,还有一个由低摩擦力制成的导向套,使得丝材可以成功到达喷头内腔。
在喷头的上方,还有电阻丝式加热器,将丝材加热到熔融状态之后,再从挤出机挤压到工作台,等冷却之后,形成制模工件的截面轮廓。
当工件原型具有悬空结构时,需要支撑结构作为支撑。
为提高工作效率,降低成本,新开发的FDM设备,拥有两个喷头,分别负责挤出支撑材料和成型材料。
(2)技术特点
FDM技术的优点是:①成型材料广泛。
FDM技术所用材料多种多样,主要有ABS、石蜡、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等低熔点材料,以及低熔点金属、陶瓷等丝材,可用于直接制作金属或其他材料的模型制件或制造ABS塑料、蜡、尼龙等零部件。
②成本相对较低。
由于FDM技术的熔融加热装置代替了激光器,因此相比其他使用激光器的快速成型技术,其制作费用大大降低。
此外,原材料的利用率较高且无污染,成型过程无化学变化,使其成型成本大大降低。
③后处理简单,支撑结构容易剥离,特别是模型制件的翘曲变形较小,原型经简单的支撑剥离后即可使用。
该技术的主要缺点是:①只能制作小型或中型的模型制件,并且制件的表面具有明显的条纹。
②纵向强度较低,这是因为丝束在一层一层铺覆时处于熔融状态,导致截面轮廓的粘结力较低。
③成型速度较慢,由于需要扫描和铺覆整个轮廓截面,同时还需要设计和制作支撑结构,导致需要较长的成型时间。
为此,可以设计出双喷头设备,同时铺覆成型材料和支撑材料,或者增加层厚。
(3)技术现状
FDM技术的一个研究重点是材料性能,这几年研制出来的PPSF、PCABS、PC等材料,具有良好的强度,甚至超过普通塑料零件的强度,被用于一些特定场所的零件试用、维修、替换等。
近年金属材料已经成为FDM技术原型材料的一个新的研究领域,被很多公司所重视。
图2-12为清华大学采用熔融沉积成型技术打印的塑料零件。
(4)技术应用
该技术有较高的强度,精度约为0.13mm,可以制作成型的塑料零件,可用于教学、动漫、医学、建筑、仿古、工艺品、汽车等领域,也可以用于产品的设计、评估等多个环节。
国内的FDM技术研发及制造风起云涌,已经有企业从事此项技术的研发与制造。
这种情况虽然有利于该项技术的普及使用,但是也有过度竞争、重复投资的趋势和苗头。
5、选择性激光烧结成型(SLS)技术
1989年,美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard提出选择性激光烧结工艺(SLS, Selective Laser Sintering),他之后创建了DTM公司。
1992年,该公司发布了Siion——一台基于SLS技术的商用3D打印机。
DTM公司在SLS的研究领域投入大量精力,在材料开发、制作工艺、设备研制等方面都有出色的成果。
德国EOS公司也开展SLS工艺的研究,已经推出一系列SLS技术的快速成型设备,并在2012年举办的欧洲模具展上吸引了众人的眼球。
在中国,华中科技大学、中北大学、南京航空航天大学、北京隆源自动成型有限公司、武汉滨湖机电产业有限公司、湖南华曙高科等单位均对SLS工艺展开研究。
(1)技术原理
该工艺使用粉末状材料,在计算机的控制下,激光器扫描粉末,实现材料的烧结和粘合,从而使得多层材料堆积成型。
如图2-13所示为SLS的成型原理。
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