陶瓷ＦＤＭ快速成形技術的應用

摘要 數字技術和快速成形技術在陶瓷生產中的應用越來越廣泛，快速成形技術可用于設計方案驗證、快速制模、快速制造等。本文闡述了數字技術和快速成形技術在陶瓷設計中的應用特點， 并以熔融沉積快速成形為例，闡述了數字技術和快速成形技術在陶瓷設計中的應用過程，并運用一個典型的應用實例加以分析說明。

關鍵詞 陶瓷，快速成形，熔融沉積

1前 言

陶瓷材料具有的優良的高溫性能、高強度、高硬度、低密度、好的化學穩定性， 使其在各行各業得到廣泛的應用。但陶瓷難以成形的特點又限制了它的使用， 尤其是復雜陶瓷件的成形均借助于復雜的模具來實現。而復雜模具需要較高的加工成本和較長的開發周期， 而且 模具加工完畢后， 就無法對其進行修改， 這種狀況越來越不適應產品的改進及更新換代。采用快速成形技術可以克服上述缺點。快速成形(Rapid Prototyping， 簡稱RP技術)，是20 世紀80 年代中期興起的高新技術， 它先將設計結果成形，分析驗證、確認設計方案后再進行模具制造，避免因設計方案造成的模具修改，可在一定程度上降低產品開發的成本與風險。

2快速成形技術的原理和分類[1]

快速成形技術的本質是采用層積法三維實體， 在成形過程中， 先用三維造型軟件在計算機中生成部件的三維實體模型， 然后用分層軟件對其進行分層處理， 即將三維模型分成一系列的層， 將每一層的信息傳送到成形機， 通過材料的逐層添加得到三維實體件。

2.1 快速成形的方法與類型

目前， 比較成熟的快速成形方法有以下幾種: 分層實體制造(Laminated Objected Manufacturing，簡稱LOM)、熔融沉積造型(Fused Deposition Modeling，簡稱FDM)、形狀沉積成形(Shape Deposition Modeling，簡稱SDM)、立體光刻(Stereo Lithography，簡稱SLA)、選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering，簡稱SLS)、噴墨打印法(Inkjet Methods)。

2.2 熔融沉積造型(FDM)快速成形的原理

熔融沉積制造過程中，在計算機的控制下，快速成形系統根據工件截面的輪廓信息，擠壓頭可作X、Y方向的填充運動，工作臺作Z（高度）方向的層疊運動。絲狀熱塑性材料（ABS、尼龍絲等）從送絲機構送至擠壓噴頭，在噴頭內將熔絲加熱到熔點后擠出并沉積在工作臺上，經自然凝固成形。一層截面填充完成后，工作臺下降一個高度，再填充另一層，直到零件完成。熔融沉積成形的原理如圖1所示。FDM不使用激光器，系統成本較低，但由于噴頭口徑比較大，與激光成形相比，成形精度稍低，成形精度可達±0.1mm。

2.3 FDM快速成形機

FDM熔融層積成形機將三維模型數模分層，生成每層的模型成形路徑和必要的支撐路徑。材料的供給分為模型材料卷和支撐材料卷；相應的熱融頭也分為模型材料噴頭和支撐材料噴頭。熱融頭會把ABS材料加熱至220℃，成熔融狀態噴出，由于成形室保持在70℃，該溫度下熔融的ABS材料既可以有一定的流動性又能保證很好的精度。

本文采用Stratasys公司的FDM快速成形機進行實驗，采用Stratasys公司提供的成形軟件Catalyst進行成形分層處理。利用三維模型的STL數據，選用ABS塑料快速地制作出實體模型。成形結果可進行外形、裝配及功能性測試。快速成形件也可以應用在快速制造以及快速模具應用等領域。成形機使用高性能的工程材料，可進行具有復雜的幾何形狀模型的制作，不會產生翹曲、收縮，也不會吸收濕氣。FDM快速成形機可應用于工業設計，應用在汽車、電子、玩具、消費產品、醫療、陶瓷和制鞋等行業。

3應用FDM快速成形技術來制備陶瓷件

3.1 陶瓷件的三維建模[2]

運用C A D 進行陶瓷產品的設計，包括概念設計、結構設計、工藝設計，能更方便地實現產品類型和產品結構的標準化。在這個過程中，可采用成熟的三維參數化軟件，如UGNX、Pro/E、SOLIDWORKS等，都能進行陶瓷產品的CAD建模。

圖2是采用UGNX構建的陶瓷包裝盒的底殼，它包含兩個方面，上蓋聯結結構和主體結構。三維設計的主要幾何參數包括與產品有關的尺寸、形狀、連接，其形狀可根據要求設計成不同外形。

3.2 快速成形的數據處理[3]

（1） 成形過程的步驟如下：

Catalyst4.0為Stratasys公司提供的成形處理軟件，其具備以下功能：1）模型輸入、顯示檢查實體和邊界；2）調整模型的成形放置方向和位置；3）選擇成形體的結構模式；4）成形控制數據的輸出等。

（2） 成形參數的選擇、堆積

成形材料分模型實體材料、支撐材料。本次試驗采用可溶性支撐材料。堆積結構有實心和稀疏兩種，通常情況下三維模型采用實心堆積，支撐部分用稀疏結構，可以節省支撐材料。

分別在Catalyst4.0軟件的工作界面中設定框里選擇成形精度、模型結構、支撐結構，便可進行成形堆積。執行后得到每層的堆積控制結果，Catalyst4.0軟件可逐層顯示每層的堆積路徑，逐層檢查路徑的正確性，見圖4、圖5。

（3） 成形控制

分層堆積計算結果檢查無誤后，通過網絡線將成形控制文件傳送到成形機。成形機執行后得到每層的堆積控制結果，見圖6、圖7。

（4） 模型修正

完成成形過程，得到成形的零件后，需將支撐件去除。由于使用水溶性支撐，將模型浸泡于70℃左右的堿性溶液中，支撐材料便會溶解。然后，對模型表面進行打磨后，便得到完整的模型。

4 結論

以計算機輔助設計技術為核心的制造技術，必定會對陶瓷行業產生重大的影響。借鑒在其它行業中的成功經驗，可將這些先進制造技術應用于陶瓷行業的實際生產中。快速成形技術能增強陶瓷產品的研發能力，縮短產品開發周期，降低開發與生產成本，加快新產品的更新換代，提高產品質量，能在激烈的競爭市場中取得優勢，從而推動整個行業的迅速發展。

FDM快速成形技術可用于陶瓷制造中能分析驗證設計方案，避免因設計方案的更改而造成的模具修改，降低產品開發的成本與風險，同時快速成形模型也可用于快速模具的制造。

參考文獻

1 莫健華主編.快速成型及快速制模[M].北京:電子工業出版社，2006

2 王金明，張 洪，熊漢偉，張湘偉.虹吸式坐便器排污過程的數值模擬[J].中國陶瓷，2006，7

3 Dimension SST Manual.Stratasys，Inc.2005，7