熔融沉积制造大作业.docx
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熔融沉积制造大作业
研究生课程考试答题册
得分:
考试课程近净成型工艺基础与新技术
题目半固态成型基本理论
姓名张续
学号2011200762
学院机电学院
导师齐乐华教授
西北工业大学研究生院
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。
FDM(FusedDepositionModeling)工艺是由美国学者ScottCrump于1988年研制成功,其后由Stratasys公司推出商品化的3DModeler1000、1100和FDM1600、1650等系列产品。
后来清华大学研究开发出了与其工艺原理相近的MEM(MeltedExtrusionModeling)工艺及系列产品。
[1]目前,FDM工艺已经广泛应用于汽车领域,如车型设计的检验设计、空气动力评估和功能测试;也被广泛应用于机械、航空航天、家电、通信、电子、建筑、医学、办公用品、玩具等产品的设计开打过程,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、塑料件开模前检验设计以及少量产品制造等。
用传统方法需机几个星期、几个月才能制造的复杂产品原型,用FDM成型法无需任何道具和模具,可快速完成。
1熔融沉积制造工艺原理
1.1快速成形技术基本原理
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 FDM的工艺原理
如图1所示。
成形时,丝状的成形材料和支撑材料由送丝机构送至各自对应的
图1FDM工艺原理图(来自XX图片)
微细喷头,在喷头的挤出部位被加热至熔融或半熔融状态。
喷头在计算机控制下,按照模型的CAD分层数据控制的零件截面轮廓和填充轨迹作X-Y平面运动;同时在恒定压力下,将融化的材料以较低的速度连续的挤出并控制其流量。
材料被选择
性的沉积在层面指定位置后迅速凝固,形成截面轮廓,并与周围的材料凝结。
一层截面完成后,工作台下降一层的高度(0.25-0.75mm),再继续进行下一层的沉积。
如此重复,直至完成整个实体的造型[3]。
2熔融沉积制造系统简介
2.1硬件系统
图2FDM快速成型系统喷头结构示意图[8]
一般熔融沉积制造机械系统包括运动、喷头、成型室、材料室、控制室和电源室等单元,喷头是该系统的关键部件[7]。
以上海富力奇公司推出的TSJ系列快速成型机为例介绍一下喷头结构[8]。
如图2,喷头内的螺杆和送丝机构可用同一步进电机驱动,当外部计算机发出指令后,步进电机驱动螺杆,同时通过同步齿形带传动与送料辊将塑料丝送人成型头,在喷头中熔融,并在螺杆挤压作用下通过喷嘴涂覆在工作台上。
2.2软件系统
几何建模单元是由设计人员借助CAD软件,如PRO/E、Auto-CAD等构造产品的实体模型或由三维测量仪(CT、MRI等)获取的数据重构产品的实体模型,最后以STL格式输出原型的几何信息。
信息处理单元由STL文件处理、工艺处理、数控、图形显示等模块组成,分别完成对STL文件错误数据检验与修复、层片文件生成、填充线计算、数控代码生成和对原型机的控制。
其中,工艺处理模块根据STL文件判断制作成型过程中是否需要支撑,如需要支撑则进行支撑结构设计,并以CLI格式输出产生分层CLI文件。
2.3供料系统
供料系统主要完成原型材料和支撑材料的精准供给。
送料时,实芯丝材原材料缠绕在供料辊上,由电动机驱动辊子旋转,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。
3熔融沉积制造系统设备简介
目前研究熔融沉积工艺设备的主要有美国的Stratasys公司、MedModeler公司以及国内的清华大学。
所有Stratasys公司生产的设备都具有下列特征[10]:
设备结构紧凑,设计成“即插即用”原型机;
无需激光器,能量损耗低;
不需冷却水;
对操作者而言,不需排除刺激的或有毒的蒸汽;
可在办公环境下操作。
FDM3000是系列机(包括FDM1650、FDM2000、FDM8000)中的标准设备。
与其他机型相比,该设备有两个喷头,可以同时挤出模型材料和支撑料。
设备本身紧凑,只有160Kg,不需要多余的配置,只需230V/10A的电压,通过一个V24的接口与工作站联系,喷头是可更换的。
型 号:
FDM3000
使用材料:
ABS(P400)
支撑材料:
水溶性支撑材料
成形尺寸:
254mm254mm254mm
精 度:
Model尺寸<127mm,精度为±0.178mm(±-0.0014mm/mm)
Model尺寸>127mm,精度为±0.0534mm/mm
层 厚:
0.1778mm0.2540mm 0.3048mm
重量:
160Kg
电源:
230V/10A
图3FDM3000原型机(google图片)
FDMTitan原型机技术参数:
成型尺寸:
14x16x16in(355x406x406mm)
成形材料:
ABS、PC、PPSF
每层厚度:
0.12(ABS)/0.17(PC)/0.25mm
支撑材料:
水溶性支撑(ABS),易于剥离支撑(PC/PPSF)
重量:
726kg
电源:
230V,50/60Hz,3Pase,16A
外观尺寸:
1270(W)x876(D)x1981(H)mm
图5FDMMaxum原型机(google图片)
FDMMaxum原型机技术参数:
成形尺寸:
23.6x19.7x23.6in(600x500x600mm)
成形材料:
ABS(p400)ABSSi(P500)
每层厚度:
0.12/0.17/0.25mm
支撑材料:
WaterWorksforABS
重量:
1134kg
电源:
208-240VAX,50/60Hz,32A
外观尺寸:
2235(W)x1981(D)x1118(H)mm
对于塑料来讲,FDMMaxum是最大最快的FDM设备,设计用来成形ABS模型。
其速度快的原因在于采用电磁式空气线轴承驱动。
工作时,定子固定在底座,转子安装在挤出头中,喷头靠移动的电磁场在x,y方向定位,移动迅速、准确,并且因为是空气支撑,非常接近于无摩擦[10]。
图4FDMTitan原型机(google图片)
4FDM快速成型工艺过程
FDM快速成形工艺流程图如下图7所示:
图7FDM快速成形工艺流程图
4.1产品三维建模
设计人员接到设计任务后,首先根据产品的使用要求,利用计算机辅助设计软件设计出产品的三维模型。
目前常用的设计软件有:
Pro/E、Solidworks、MDT、AutoCAD、UG等[4]。
或由三维测量仪(CT、MRI等)获取的数据重构产品的实体模型,最后以STL格式输出原型的几何信息。
6Fortus400C原型机技术参数
成形尺寸:
356x254x254mm(406x356x406mm)
成形材料:
ABS、PC、PPSF/PPSU
每层厚度:
0.330mm0.254mm0.178mm0.127mm
成形精度:
(+/-.127mmor+/-.0015mmpermm)
支撑材料:
水溶性(ABS,PC-ABS);易于剥离支撑(PC,ULTEM9085,PPSF/PPSU)
电源:
230VAC,50/60Hz,3phase,16A/phase
FDM400mc系统的特点:
增加了20-30%生产效能。
全新的ABS-M30的模型材料。
模型零件的强度得到提升。
增进准确性。
增进重复性。
灵活配置生产需求。
图6Fortus400C原型机(google图片)
4.2三维模型分层处理
在得到零件三维实体后,要完成最终造型,必须得到每一层的二维截面信息,所以必须对三维模型进行分层处理。
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。
这种文件格式是将CAD表面离散化为三角形面片,如图8所示。
根据实体的表面曲率,实体的表面由众多的三角形面片组成,不同的精度时有不同的三角形网格划分。
如图9为对同一直径的球体在不同精度条件下的表面三角形面片表示[6]。
图8STL格式文件三角面片表示图9不同精度条件下球体表面三角片面表示
4.3FDM造型
产品的造型包括两个方面:
支撑制作和实体制
4.3.1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。
所以FDM造型的关键一步是制作支撑。
4.3.2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。
4.4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。
5FDM工艺过程影响因素
5.1材料性能
材料的性能直接影响成形过程及成形精度。
FDM工艺对材料以下性能有所要求:
(1)材料的粘度:
材料的粘度低,流动性好,阻力就小,有助于材料的顺利挤出。
材料的流动性差,需要很大的压力才能挤出,会增加喷头的起停响应时间,从而影响成形精度。
(2)材料的熔融温度:
熔融温度低可以使材料在较低温度下挤出,有利于提高喷头和整个机械系统的寿命。
而且,减少材料在挤出前后的温差,能够减少热应力,从而提高原型的精度。
(3)材料的粘结性:
FDM原型的层层之间往往是零件强度最薄弱的地方,粘结性好坏决定了零件成形以后的强度。
粘结性过低,有时在成形过程中因热应力会造成层与层之间的开裂。
(4)材料的收缩率:
挤出后的材料丝一般会发生一定程度的膨胀,如果材料收缩率对压力比较敏感,会造成挤出材料丝直径与喷嘴名义直径相差过大影响成形精度。
另外,FDM成形材料收缩率对温度不能太敏感,否则会产生零件翘曲、开裂。
为此,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。
另外,FDM材料还要有良好的成丝性;在相变过程中具有良好的化学稳定性,且要有小的收缩性。
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金属、陶瓷等的线材或丝材[7]。
此外,FDM工艺对支撑材料性能同样有一定的要求,主要有:
(1)能承受一定的高温由于支撑材
料要与成形材料在支撑面上接触,因此,支撑材料必须能够承受成形材料的高温,在此温度下不产生分解与融化
(2)与成形材料不浸润,便于后处理支撑材料室加工中的辅助手段,在加工完毕后必须去除,所以支撑材料与成形材料的亲和性不应太好
(3)具有水溶性或酸溶性为了便于后处理,支撑材料最好可以在某种溶液里溶解
(4)具有较低的熔融温度材料在较低的温度挤出,提高喷头的使用寿命
(5)流动性要好由于支撑材料的成形精度要求不高,为了提高机器的扫描速度,要求支撑材料具有很好的流动性,相对而言,粘性何以差一些。
5.2喷头温度和成型室温度
喷头温度决定了材料的粘度性能、堆积性能、丝材流量以及挤出宽度。
喷头温度太低,则材料粘度打,挤丝速度慢,不仅加重挤压系统负担,还有可能造成喷嘴堵塞,而且材料层间粘结强度降低,可能引起层间剥离。
温度太高,材料偏向于液态,粘性系数偏小,流动性强,挤出速度快,无法形成可精确控制的丝。
这样会出现前一层材料还未冷却成形,后一层材料就加压其上,从而使前一层材料坍塌和破坏。
因此,喷头温度应根据丝材的性质在一定范围内选取。
成形室的温度对成形件的热应力有影响。
温度过高,有助于减小热应力,但零件表面易于起皱;温度过低,从喷嘴挤出的丝材材骤冷使成形件热应力增加,容易引起零件翘曲变形。
而且由于挤出丝冷却速度过快,导致层间粘结不牢固,会有开裂的倾向。
因此,一般成型室的温度设定为比挤出丝的熔点温度低1~2C[7].
5.3挤出速度和填充速度
挤出速度是指丝材在送丝机构的作用下,从喷嘴中挤出时的速度,填充速度则是指喷头在运动机构的作用下,按轮廓路径和填充路径运动时的速度。
如果填充速度与挤出速度匹配后出丝太慢,则材料填充不足,出现“断丝”现象,难以成型;相反,填充速度与挤出速度匹配后出丝太快,熔丝堆积在喷头上,使成型面材料分布不均匀,表面会有“疙瘩”,影响造型质量.所以,应根据具体情况,将挤出速度和填充速度进行合理匹配
5.4分层厚度
由于每层有一定的厚度,会在成形后的实体表面产生台阶效应,直接影响到成形后实体的尺寸误差和表面粗糙度。
一般来说,分层厚度越小,台阶效应越不明显,表面质量也越高,但是分层处理和成形时间会变长,降低成形效率。
相反,分层厚度越大,表面质量越差,但成形效率相对较高。
可在实体成形后进行打磨,抛光等后处理来提高成形精度。
5.5延迟时间
延迟时间包括出丝延迟时间和断丝延迟时间。
当送丝机构开始送丝时,喷嘴不会立即出丝,而有一定的滞后,把这段滞后时间称为出丝延迟时间。
同样当送丝机构停止送丝时,喷嘴也不会立即断丝,把这段滞后时间称为断丝延迟时间。
在工艺过程中,需要合理地设置延迟时间参数,否则会出现拉丝太细,黏结不牢或未能黏结,甚至断丝、缺丝的现象,或者出现堆丝、积瘤等现象,严重影响原型的质量和精度[9]。
5.6扫描方式
合适的扫描方式可降低原型内应力的积累,有效防止零件的翘曲变形。
熔融沉积工艺方法中的扫描方式有多种,如从制件的几何中心向外依次扩展的螺旋扫描,按轮廓形状逐层向内偏置的偏置扫描及按X、Y轴方向扫描、回转的回转扫描等。
通常,偏置扫描成形的轮廓尺寸精度容易保证,而回转扫描路径生产简单,但轮廓精度较差。
为此,可以采用复合扫描方式,即外部轮廓用偏置扫描,而内部区域填充用回转扫描,从而既可以提高表面精度,也可以简化扫描过程,提高扫描效率。
6FDM工艺特点及应用
1.成形材料广泛,一般的热塑性材料如石蜡、塑料、尼龙丝等,适当改性后都可以用于熔融沉积制造。
该工艺也可以堆积复合材料零件,如把低熔点的蜡或塑料熔融时与高熔点的金属粉末、陶瓷粉末、剥离纤维、碳纤维等混合成多相成形材料。
2.成形设备简单,成本低,FDM技术靠材料熔融实现连接成形,用液化器代替了激光器,相比其他使用激光器的工艺方法,大大简化了设备,制作费用大大减低。
且设备运行,维护也相对容易,可靠性高。
3.使用无毒的原材料,成形过程对环境无污染,设备系统可在办公环境中安装使用
4.可以成形任意复杂程度的零件,常用于成形具有很复杂的内腔、孔等零件
5.原材料在成形中无化学变化,制件的翘曲变形小
6.原材料利用率高,且材料寿命长
7.支撑去除容易,无需化学清洗,分离容易
任何工艺都有其优点和缺点,熔融沉积制主要存在以下几个方面的问题:
只适合成形中、小型的塑料件;
成形件表面有较明显的条纹,表面精度不高;
沿成形轴垂直支撑结构;
需对整个截面方向的强度比较弱;
需设计、制作进行扫描涂覆,因此成形时间较长;
原材料价格昂贵。
目前,FDM工艺已经广泛应用于汽车领域,如车型设计的检验设计、空气动力评估和功能测试;也被广泛应用于机械、航空航天、家电、通信、电子、建筑、医学、办公用品、玩具等产品的设计开打过程,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、塑料件开模前检验设计以及少量产品制造等。
用传统方法需要几个星期、几个月才能制造的复杂产品原型,用FDM成型法无需任何道具和模具,可快速完成。
英文文献一
Title:
ErroranalysisofFDMfabricatedmedicalreplicas
题目:
基于FDM成形的医学制品的误差分析
1.摘要:
(1)本文目的:
FDM的快速发展使其在移植手术中的应用日益广泛。
本文目的是调研在制备一些复杂制品时,由于计算机分层及FDM工艺成形时产生的误差。
(2).采用方法:
选用不同尺寸类型(儿童,男人,女人)的头盖骨和下颌骨作为模型,头盖骨上定义选取11处进行测量,下颌骨上定义选取9处进行测量,另外定义选取8处测骨厚,分别测量虚拟模型和用FDM成形出的模型,然后进行对比得出误差。
(3).发现:
用FDM工艺成形的头盖骨模型的平均绝对偏差为0.24%,平均标准偏差为0.16%;上颌骨模型平均绝对偏差为0.22%,平均标准偏差为0.11%。
(4).本文意义:
证明了FDM工艺在成形不同尺寸的人体器官制品时,成形精度要高于其他快速成形工艺
2.文章简介
ØSantler等人于1998年对SLA和铣削成形技术进行了对比,他们推断两种方法精度都能达到在临床上的应用,但是在一些精细结构和具有复杂内部结构的成形中,SLA具有明显优势。
ØBouyssie等人1997年研究了SLA成形人下颌骨模型时的精度,他们选取不同部位进行测量,得出的结论是标准偏差在0到0.24mm之间,原型比复制品稍大,平均偏差+0.06mm;平均绝对偏差为0.12mm,精度误差为0.02mm
ØChoi等人2002年研究了3D虚拟模型精度的影响以及在用SLA技术生产过程中产生的误差。
他们选取12处进行长度测量,他们得出原模型与SLA模型12处平均绝对偏差为0.62-0.35mm(0.56%-0.39%)。
ØNizam等人为了验证SLA技术在马来西亚SainsUniversityHospital临床上的应用,2006年在的做了一个相似的研究,他们用SLA技术做了4个成年人的颅骨模型。
之后用数显卡尺测量了每个模型和原型之间的尺寸(8处),他们得出的绝对偏差为0.59mm(0.54%),标准偏差为0.89mm(0.62%)。
ØMeakin等人2004年利用CT扫描对一个FDM成形出的羊脊椎模型进行了精度分析,5处测量的平均绝对偏差为1.36mm,平均标准偏差为0.77mm。
以前的大多研究都集中在SLS和SLA技术上,然而poly(e-caprolactone)以及其他生物相溶性材料的发展,使FDM在生物组织工程学上大显身手,然而,明确FDM在整个成形过程中各种误差来源很重要,比如在医学成像(Bouyssieetal.,1997)及三维建模阶段(Choietal.,2002)产生的误差。
本文旨在研究制造阶段产生的误差
3.模型制作
此处首先是利用三维测量仪对实体模型进行测量,在得到一系列数据后,转换成STL文件并在三维造型软件中进行数据处理并最终得到实体的三维模型。
之后对三维模型进行二维分层处理,得到加工路线,然后在FDM3000成形机上成形出实验所需的不同尺寸类型的颅骨和上颌骨的模型。
其流程图如右图10所示:
图10FDM3000制作颅骨模型过程
4.数据测量
文中借鉴Garwin(2006)的研究,分别在颅骨上选取11处、下颌骨选取8处进行长度测量,并选取9处测量骨厚。
5.结果分析
根据测量数据进行分析,颅骨模型12个长度数据的误差最小为0.02mm,最大为0.25mm,集中在0.07~0.15mm之间,平均误差为0.1mm;下颌骨模型8个数据的误差最小为0.035,最大为0.079mm之间,并且集中在0.05~0.08mm之间。
数据表明制作的颅骨模型精度等级为0.1mm,下颌骨模型的精度等级为0.01mm。
6.结论
对颅骨模型研究结果得出平均绝对偏差为0.108mm(0.24%),平均标准偏差0.048mm(0.16%);下颌骨平均绝对偏差为0.079mm(0.22%),平均标准偏差0.031mm(0.11%);骨厚测量中达到了更高的精度水平。
研究还表明,用FDM成形工艺,结构(头骨、下颌骨)和成形尺寸(男人,女人,小孩)对成形精度影响不大。
因此,相比其他工艺,FDM有更高的精度水平[12]。
英文文献二
Title:
FabricationofPrecisionScaffoldsUsingLiquid-FrozenDepositionManufacturingforCartilageTissueEngineering
题目:
L-FDM在软骨组织工程精密支架成形中的应用
摘要:
FDM工艺系统成形的组织工程支架,具有很高的强度和可控的孔结构。
于是在FDM基础上提出了L-FDM的思想。
本文基于L-FDM,用PLGA(聚羟乙酸共聚物)溶液成形出了高精度的支架。
经过研究表明,基于L-FDM技术用15~20%的PLGA溶液成形的支架性能显然优于FDM成形的支架。
因此,L-FDM就为组织工程支架的成形提供了一个很好的方法。
1.Introduction
由于软骨组织细胞分裂能力有限,软骨组织在损伤后很难再生。
组织工程学上在一些具有生物相容性的3D支架放入种子细胞,借此来培养出需要移植的结构。
一个理想的支架应满足以下几点:
1).具有高空隙结构,孔尺寸大小要合适,空隙结构具有高度连通性,便于细胞粘附、生长以及吸收营养物质和排泄代谢产物;
2).具有很好的生物相容性和生物降解性,适宜的吸收率以匹配组织修复速率;
3).具有适宜的力学性能一定的结构强度。
制作支架的传统方法:
Ø冷冻干燥;
Ø3D打印;
Ø粒子致孔;
Ø相分离;
Ø气体发泡。
但这些方法都存在着很多缺点和限制比如:
结构强度不足,不适宜于某些承受压力的结构;空隙连通性差,不利于营养物质运输和代谢物排泄等等。
后来随着FDM成形的快速发展,使其在软骨组织工程支架中的应用也逐渐占据愈来愈重要的低位。
其主要优点有:
融合了CAD和CAM技术,可以
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