熔融沉積快速成型技術研究進展

吳 濤 倪榮華 王廣春

(山東大學 工程訓練中心，山東 濟南 250002）

1 熔融沉積快速成型簡介

基于CAD/CAM技術的快速成型技術（又稱3D打印技術）近年來成為社會與科技熱點。該技術是利用CAD模型驅動，通過特定材料運用逐層累積方式制作三維物理模型的先進制造技術[1]。整個產品制造過程無需開發模具，利用計算機三維實體建模得到的模型即可直接打印制件，因此可以實現產品的快速制造。

熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，FDM)則是一種近十幾年來得到迅速發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，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來，根據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，設備維護方便，成型材料廣泛，自動化程度高且占地面積小，目前被廣泛應用于產品開發、快速模具制作、醫療器械的設計開發及人體器官的原型制作，代表著快速成型制造技術的一個重要發展方向。但是，由于其成型過程為半固態到固態過程的轉化，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展。目前國內外學者針對熔融沉積快速成型設備、材料、工藝以及數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備方面的研究進展

當前FDM設備制造系統應用最為廣泛的主要是美國Stratasys公司的產品,從1993年Stratasys公司開發出第一臺FDM1650機型以來，先后推出了FDM-2000，FDM-3000和FDM-8000機型。從FDM-2000開始，設備采用了雙噴頭，一個噴頭涂覆成型材料，另一個噴頭涂覆支撐材料，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機型，在這種機型中，采用了擠出頭磁浮定系統，可在同一時間獨立控制兩個擠出頭，進一步提高了造型速度?，FStratasys公司的主要產品有適合辦公室使用的FDM Vantage系列產品和可成型多種材料的FDM Titan系列產品,另外還有成型空間更大且成型速度更快的FDM Maxum系列產品,還有適合成型小零件的緊湊型ProdigyPlus成型機[2]。

在國內，清華大學與北京殷華公司進行了FDM工藝商品化系統的研制工作，并推出熔融擠壓制造設備MEM250。上海富力奇公司的TSJ系列快速成型機采用了螺桿式單噴頭，華中科技大學和四川大學正在研究開發以粒料、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展

FDM工藝的成型材料應滿足有一定的彎曲強度、壓縮強度和拉伸強度；材料的收縮率應??；保證各層之間有足夠的粘結強度。

在國內，北京航空航天大學對短切玻璃纖維增強ABS復合材料進行了改性研究。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。北京太爾時代公司通過和國內外知名的化工產品供應商合作，在2005年推出高性能FDM成型材料ABS 04，與美國Stratasys公司生產的ABS P400性能相近，具有變形小、韌性好的特點，適合裝配測試，可替代進口材料，降低生產成本。近年來，華中科技大學研究了改性聚苯乙烯支撐材料。

國外，1998年澳大利亞的Swinburne工業大學研究了一種金屬-塑性復合材料，可用FDM工藝直接快速制模。2001年美國Stratasys公司推出了支持FDM技術的工程材料PC。用該材料生產的原型可達到并超過ABS注射成型的強度。之后又推出了支持FDM技術的工程材料PPSF，它有著最高的耐熱性、強韌性以及耐化學性。隨后又開發了工程材料PC／ABS。PC／ABS結合了PC的強度以及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展

對于給定的快速成型系統，工藝參數的優化設置會在不引起附加費用的情況下大幅度改善原型件的質量。

國內的大連理工大學的郭東明教授等人進行了FDM工藝參數優化設計，先是提出絲寬理論模型，后通過正交試驗得到影響試件尺寸精度及表面粗糙度的顯著因素，并進行參數優化，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研究所研究了幾個工藝參數不同對制件機械性能的影響。他們得出層數過多、光柵線間距過大、光柵寬度過小、氣隙過大對制件機械性能不利的結論。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量及最小的翹曲變形。美國德雷塞爾大學用田口實驗設計方法找到最少實驗運行數量和最佳工藝參數的設置，使用三維、幾何和表面粗糙特征的基準開展研究。發現了零件輸出的質量和輸入制造工藝參數之間的功能關系。意大利巴里大學經過實驗對比發現切片高度和光柵寬度是十分重要的工藝參數，而噴頭直徑則對制件表面質量影響較少，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、狹長薄壁體試件進行了實驗，然后對結果進行分析，最終提出了解決方法。上海交通大學機械與動力工程學院研究人員分析變形產生的根源及其作用機理，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值模擬方面的研究進展

到目前為止，熔融沉積成型技術的主要研究都建立在實驗及定性分析上，不符合經濟高速發展所要求的的高質量、低成本。所以用合理數值模擬方法及少量的實驗驗證，來代替以往大量重復實驗的方法勢在必行。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力場分布，甚至可以將整個成型過程模擬出來，從而找到成型過程中的問題及改進方法。采用數值模擬方法可快速確定掃描方式，提高了生產效率，同時極大地降低了成本。

國內清華大學的裴琳、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力和變形，從理論上驗證了告訴掃描的合理性和可行性。北京化工大學宋麗莉等對熔融沉積成型溫度場進行了數值模擬，進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F.Xu、Y.S.Wong等研究了遺傳算法在快速成型中的應用，開發了一個基于遺傳算法的快速成型工藝參數優化的軟件系統，給出了詳細的算法和具體優化實例。C.Bellellumeur等應用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聚合體細絲的熔融沉積快速成型溫度場的數值模擬研究，得出了合理的溫度范圍。華盛頓州立大學S.J.i Kalita、S.Bose等研究了熔融沉積快速成型件內部多孔性特征，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。

[1]王廣春，趙國群.快速成型與快速模具制造技術及其應用[M].2版.北京：機械工業出版社，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噴頭應用現狀分析[J].工程塑料應用，2008，36（12）：68-71.