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3D打印技术之FDM(热熔堆积固化成型法)

来源: 互联网 | 责任编辑:传说的落叶 | 发布时间: 2013-04-09 15:35 | 浏览量:
           FDM,热熔堆积固化成型法(Fused Deposition Modelin)
         FDM技术是由Stratasys公司所设计与制造,FDM技术利 用ABS,polycarbonate(PC),polyphenylsulfone (PPSF)以及其它材料。这些热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝,由沉积在层层堆栈基础上的方式,从3D CAD资料直接建构原型。该技术通常应用于塑型,装配,功能性测试以及概念设计。此外,FDM技术可以应用于打样与快速制造。
3D打印热熔堆积固化成型法
 
        FDM 术语
  • WaterWorks(水溶性支撑): 可以分解于碱性水溶剂的可溶解性支撑结构。
  • Break Away Support Structure (BASS) (易剥离性支撑): 水溶性支撑的前身,需要手动剥离工件表面的支撑。
  • Tip(喷嘴): 挤压成型用的喷嘴。喷嘴提供各种不同的孔径让使用者选择。
  • Road(线材):在喷嘴的单一路径中所挤压成型的材料。可由喷嘴尺寸与材料进几率控制。
        工程材料属性
         致力于工业需求,符合这些预期用来生产的材料的材料属性非常重要,这也是FDM技术最重要的强项之一。当Stratasys公司制造用于FDM技术的所有材料,每一项都是从商业上可用的热塑性树脂来生产。
        ABS  所有的FDM系列产品都提供ABS作为材料选项,而接近90%的FDM原型都是 由这种材料制造。使用者报告说ABS的原型可以达到注塑ABS成型强度的80%。而其它属性,例如耐热性与抗化学性,也是近似或是相当于注塑成型的工件, 其耐热度为摄氏93.3度。这让ABS成为功能性测试应用的广泛使用材料。
        Polycarbonate    可以在Titan机型上使用的一种新式RP材料 --polycarbonate –正在快速成长。增加强度的polycarbonate比ABS材料生产的原型更经得起力量与负载。许多使用者相信该材料生产的原型可以达到注塑ABS成 型的强度特性,其耐热度为摄氏125度。
        其它材料: FDM技术还有其它的专用材料。这些包含polyphenylsulfone、橡胶材质以及蜡材。橡胶材质是用来作类似橡胶特性的功能性原型。蜡材是特别 设计来建立脱蜡铸造的样品。蜡材的属性让FDM的样品可以用来生产类似铸造厂中的传统蜡模。Polyphenylsulfone,一种应用于Titan机 型的新工程材料,提供高耐热性与抗化学性以及强度与硬度,其耐热度为摄氏207.2度。
        ABS提供六种材料颜色。色彩的选项包含蓝色,黄色,红色,绿色与黑色。医学等级的ABSi 提供针对于半透明的应用,例如汽车车灯的透明红色或是黄色。

        精度和稳定性
         一般而言,FDM技术所提供的准确性通常相等或是优于SLA技术以及PolyJet技术,且确定优于SLS技术。然而,由于精准性是取决于许多的因素, 所以矛盾的结果便会发生在个别的原型上。FDM技术的精准性受到较少的变量影响。用SLA,SLS以及PolyJet技术,尺寸精准性会受影响的因素有机 器的校正,操作的技巧,工件的成型方向与位置,材料的年限以及收缩率。
        Z轴可能是被证明准确性最小的。除了先前所讨论的变化之外,原型的高度可能由于层厚整数误差而改变。对所有的RP系统而言都是这样的。任何特征的表面顶端 或是底端无法对齐成为一层时,在软件中的切层算法会将尺寸整数化到最接近的层厚数。在最坏的情形下,一端的表面往下整数化而另一端向上,高度可能偏离一个 层厚。对于典型的FDM参数,这可能会产生的误差至少为0.127mm。
 
        尺寸的稳定性是FDM原型的关键优势,如同SLS技术,时间与环境的曝晒都不会改变工件的尺寸或其他的特征。一但原型从FDM系统分离,当它达到室内温度后,尺寸是固定不变的。如果温度度数变化,用SLA 或是PolyJet技术则不是这样的情形。

         表面精度
         FDM技术最明显的限制就是表面完工精度。由于是半熔融状态塑料挤制成型,表面完工精度比SLA与PolyJet还要粗糙,而与SLS不相上下。当由较 小的线材宽度与较薄的层厚来改进表面完工精度时,仍然可以在顶端,底面,以及侧墙看出经过挤压喷嘴的等高线轮廓与建构层厚。为了改善表面完工精度,3D打印机厂商在层厚技术点上取得了突破,最小可以提供0.127 mm层厚。
        使用者发现工件的成型方向,可以满足考虑表面完工精度需求。这些要求较高完工精度的表面通常以垂直方向成型。较不重要的表面通常以水平方向成型,就像是底 端或是顶端的表面。如同其它技术,二次加工(后处理输出)可以用来使之相同。然而,ABS与polycarbonate材料的硬度让打磨耗费人力。使用者 通常使用溶剂或用是粘结剂完成或是预备用打磨。商业上可用的这些介质包含有熔接,ABS快干胶,Acetone 以及two-part epoxies。要符合足够的精度,FDM技术与竞争对手的产品都可以提供翻硅胶模用或是喷漆用的表面。这关键的差异是要花费多少时间才能达到要求的结果。
 
         加工限制
         尽管高端的FDM系统可以生产较小的特征,大多数FDM原型的最小特征尺寸受限于两倍线材宽度。没有使用者的介入,FDM技术使用的”closed path”选项会限制最小特征尺寸为两倍挤压成型喷组的宽度。对于一般喷嘴与建造参数而言,最小特征尺寸范围从0.4到 0.6 mm。尽管大于SLA与PolyJet的最小特征尺寸,但是该范围是与这些技术的可用最小特征尺寸相同。
         SLA技术可以建造小到0.08 (Viper si2机种)或0.25 mm (所有机种),以及PolyJet技术可以建造小到0.04mm,几乎很少原型会用到这些极小值的优势来作最小的细节。考虑到材料属性,通常发现SLA技 术与PolyJet技术的原型常用最小特征尺寸为0.5mm。FDM技术的最小特征尺寸相等于或是优于SLS技术的0.6到 0.8 mm。由于材料属性相似于注塑成型的ABS或是polycarbonate,FDM技术可以给予功能性特征尺寸在0.4到 0.6 mm范围中。

        环境抵抗力
        FDM原型提供的材料性质相似于热塑性材料。这包含了环境的与化学的曝晒。对ABS材料而言,使用者可以实验他们的原型在93度的温度下以及包含石油,汽 油以及甚至某些酸类等的化学媒介。一关键的考虑为水气的曝晒,包括浸没与湿气。SLA技术与PolyJet技术使用的光敏树脂对于潮湿水气敏感且会受到伤 害。暴晒在水中或是湿气中不只会影响原型的机械属性,也会影响尺寸精度。当光敏树脂的原型吸收了水气之后,他们将会开始软化并且变的有点易于弯曲。而且, 工件会有翘曲或是膨胀的倾向,这会严重影响尺寸的精度。FDM技术的原型,以及SLS技术的原型,都不受湿气影响,所以他们可以保持原有的机械属性以及尺 寸精度。

        后期加工
        FDM原型可以进行铣床加工,钻孔,研磨,车床加工等。为了补偿表面精度不足并加强特征细节,当有特殊的品质需求时,使用者通常会进行二次加工来提升原型的细节。
 

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