熔融沉積快速成型技術(shù)研究進(jìn)展

吳 濤 倪榮華 王廣春

(山東大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，山東 濟(jì)南 250002）

1 熔融沉積快速成型簡介

基于CAD/CAM技術(shù)的快速成型技術(shù)（又稱3D打印技術(shù)）近年來成為社會與科技熱點(diǎn)。該技術(shù)是利用CAD模型驅(qū)動，通過特定材料運(yùn)用逐層累積方式制作三維物理模型的先進(jìn)制造技術(shù)[1]。整個(gè)產(chǎn)品制造過程無需開發(fā)模具，利用計(jì)算機(jī)三維實(shí)體建模得到的模型即可直接打印制件，因此可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速制造。

熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)則是一種近十幾年來得到迅速發(fā)展的快速成型制造工藝。該工藝又叫熔絲沉積，它是將絲狀的熱熔性材料加熱熔化，通過帶有一個(gè)微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴出來，根據(jù)零件的分層截面信息，按照一定的路徑，在成型板或工作臺上進(jìn)行逐層地涂覆。由于熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型部分的溫度稍低于固化溫度，就能保證熱熔性材料擠噴出噴嘴后，隨即與前一層面熔結(jié)在一起。與SLA、SLS等工藝不同，熔融沉積在成型過程中不需要激光，設(shè)備維護(hù)方便，成型材料廣泛，自動化程度高且占地面積小，目前被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)、快速模具制作、醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)開發(fā)及人體器官的原型制作，代表著快速成型制造技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。但是，由于其成型過程為半固態(tài)到固態(tài)過程的轉(zhuǎn)化，分層厚度不易降低以及熱熔性材料冷卻過程中的收縮等因素，使得成型件的精度難以得到保證，也制約了熔融沉積成型的發(fā)展。目前國內(nèi)外學(xué)者針對熔融沉積快速成型設(shè)備、材料、工藝以及數(shù)值模擬等方面開展了一系列研究并取得了階段性成果。

2 熔融沉積快速成型設(shè)備方面的研究進(jìn)展

當(dāng)前FDM設(shè)備制造系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛的主要是美國Stratasys公司的產(chǎn)品,從1993年Stratasys公司開發(fā)出第一臺FDM1650機(jī)型以來，先后推出了FDM-2000，F(xiàn)DM-3000和FDM-8000機(jī)型。從FDM-2000開始，設(shè)備采用了雙噴頭，一個(gè)噴頭涂覆成型材料，另一個(gè)噴頭涂覆支撐材料，從而大幅度提高了成型速度。1998年，Stratasys公司推出引人注目的成型體積 600mm×500mm×600mm的FDMQuantum機(jī)型，在這種機(jī)型中，采用了擠出頭磁浮定系統(tǒng)，可在同一時(shí)間獨(dú)立控制兩個(gè)擠出頭，進(jìn)一步提高了造型速度?，F(xiàn)Stratasys公司的主要產(chǎn)品有適合辦公室使用的FDM Vantage系列產(chǎn)品和可成型多種材料的FDM Titan系列產(chǎn)品,另外還有成型空間更大且成型速度更快的FDM Maxum系列產(chǎn)品,還有適合成型小零件的緊湊型ProdigyPlus成型機(jī)[2]。

在國內(nèi)，清華大學(xué)與北京殷華公司進(jìn)行了FDM工藝商品化系統(tǒng)的研制工作，并推出熔融擠壓制造設(shè)備MEM250。上海富力奇公司的TSJ系列快速成型機(jī)采用了螺桿式單噴頭，華中科技大學(xué)和四川大學(xué)正在研究開發(fā)以粒料、粉料為原料的螺桿式雙噴頭[3]。

3 熔融沉積快速成型材料方面的研究進(jìn)展

FDM工藝的成型材料應(yīng)滿足有一定的彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度；材料的收縮率應(yīng)?。槐ＷC各層之間有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度。

在國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)對短切玻璃纖維增強(qiáng)ABS復(fù)合材料進(jìn)行了改性研究。他們通過加入短切玻纖、適量增韌劑和增容劑，提高ABS的強(qiáng)度、硬度和韌性，并降低ABS的收縮率，減小制品的形變。北京太爾時(shí)代公司通過和國內(nèi)外知名的化工產(chǎn)品供應(yīng)商合作，在2005年推出高性能FDM成型材料ABS 04，與美國Stratasys公司生產(chǎn)的ABS P400性能相近，具有變形小、韌性好的特點(diǎn)，適合裝配測試，可替代進(jìn)口材料，降低生產(chǎn)成本。近年來，華中科技大學(xué)研究了改性聚苯乙烯支撐材料。

國外，1998年澳大利亞的Swinburne工業(yè)大學(xué)研究了一種金屬-塑性復(fù)合材料，可用FDM工藝直接快速制模。2001年美國Stratasys公司推出了支持FDM技術(shù)的工程材料PC。用該材料生產(chǎn)的原型可達(dá)到并超過ABS注射成型的強(qiáng)度。之后又推出了支持FDM技術(shù)的工程材料PPSF，它有著最高的耐熱性、強(qiáng)韌性以及耐化學(xué)性。隨后又開發(fā)了工程材料PC／ABS。PC／ABS結(jié)合了PC的強(qiáng)度以及ABS的韌性，性能更好。

4 熔融沉積快速成型工藝方面的研究進(jìn)展

對于給定的快速成型系統(tǒng)，工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置會在不引起附加費(fèi)用的情況下大幅度改善原型件的質(zhì)量。

國內(nèi)的大連理工大學(xué)的郭東明教授等人進(jìn)行了FDM工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，先是提出絲寬理論模型，后通過正交試驗(yàn)得到影響試件尺寸精度及表面粗糙度的顯著因素，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，大幅度提高了成型件的成型精度。印度的國家鑄造鍛造技術(shù)研究所研究了幾個(gè)工藝參數(shù)不同對制件機(jī)械性能的影響。他們得出層數(shù)過多、光柵線間距過大、光柵寬度過小、氣隙過大對制件機(jī)械性能不利的結(jié)論。FDM工藝的主要用途之一是制作概念模型和模具，這都需要制件良好的表面質(zhì)量及最小的翹曲變形。美國德雷塞爾大學(xué)用田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法找到最少實(shí)驗(yàn)運(yùn)行數(shù)量和最佳工藝參數(shù)的設(shè)置，使用三維、幾何和表面粗糙特征的基準(zhǔn)開展研究。發(fā)現(xiàn)了零件輸出的質(zhì)量和輸入制造工藝參數(shù)之間的功能關(guān)系。意大利巴里大學(xué)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)切片高度和光柵寬度是十分重要的工藝參數(shù)，而噴頭直徑則對制件表面質(zhì)量影響較少，指出原型件表面粗糙度隨切片高度和光柵寬度的增大而顯著增大，而隨噴頭直徑的增大而略微減少。西南科技大學(xué)的研究人員針對狹長薄壁體的成形翹曲變形，采用ABS材料的半球殼、狹長薄壁體試件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，然后對結(jié)果進(jìn)行分析，最終提出了解決方法。上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院研究人員分析變形產(chǎn)生的根源及其作用機(jī)理，建立了成型過程中原型的翹曲變形模型，并定量地分析了各種因素對原型變形的影響程度。

5 熔融沉積快速成型數(shù)值模擬方面的研究進(jìn)展

到目前為止，熔融沉積成型技術(shù)的主要研究都建立在實(shí)驗(yàn)及定性分析上，不符合經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展所要求的的高質(zhì)量、低成本。所以用合理數(shù)值模擬方法及少量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，來代替以往大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)的方法勢在必行。通過有限元模擬的方法能夠得到熔融沉積成型過程中的溫度場及應(yīng)力場分布，甚至可以將整個(gè)成型過程模擬出來，從而找到成型過程中的問題及改進(jìn)方法。采用數(shù)值模擬方法可快速確定掃描方式，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)極大地降低了成本。

國內(nèi)清華大學(xué)的裴琳、吳任東等人通過有限元分析研究了掃描速度對熔融堆積成性影響，比較不同掃描速度下零件的應(yīng)力和變形，從理論上驗(yàn)證了告訴掃描的合理性和可行性。北京化工大學(xué)宋麗莉等對熔融沉積成型溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，進(jìn)一步分析了掃描精度對成型件精度的影響。

國外新加坡國立大學(xué)F.Xu、Y.S.Wong等研究了遺傳算法在快速成型中的應(yīng)用，開發(fā)了一個(gè)基于遺傳算法的快速成型工藝參數(shù)優(yōu)化的軟件系統(tǒng)，給出了詳細(xì)的算法和具體優(yōu)化實(shí)例。C.Bellellumeur等應(yīng)用ANSYS建立了熔融沉積快速成型溫度場的有限元模擬模型，模擬了ABS聚合體細(xì)絲的熔融沉積快速成型溫度場的數(shù)值模擬研究，得出了合理的溫度范圍。華盛頓州立大學(xué)S.J.i Kalita、S.Bose等研究了熔融沉積快速成型件內(nèi)部多孔性特征，分析了不同材料在成型后的孔洞的不同，為選擇合理的熔融沉積快速成型材料提供了依據(jù)。

[1]王廣春，趙國群.快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003，11.

[2]Chua CK,Teh SH,Gay RKL.Rapid Prototyping Versus Virtual Prototyping in Product Design and Manufacturing[J].Int Adv Manuf Thchnol，1999（15）：597-603.

[3]劉斌，謝毅.熔融沉積快速成型系統(tǒng)噴頭應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].工程塑料應(yīng)用，2008，36（12）：68-71.