FDM快速成型技术描述

FDM快速成型技术描述作者：北京瑞科达快速成型科技有限公司FDM技术是由Stratasys公司所设计与制造，可应用于一系列的系统中。这些系统为FDM Maxum，FDM Titan，FDM Vantage, PlusProdigy Plus以及Dimension。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。 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。 物理属性 符合原型应用的物理需求，大概是选择快速原型技术的最重要因素。快速原型的物理属性将定义他的品质并决定赋予的应用成败。 工程材料属性 当询问到重要性的排序，快速原型的使用者通常会声明材料属性是最重要的考虑。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是很重要的。而这是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。 图2 PPSF耐高温工程材料应用于咖啡壶设计Stratasys宣布已经针对FDM快速原型系统Titan发表PPSF材料。在各种快速原型材料之中，PPSF (或是称为 polyphenylsulfone)有着最高的强韧性、耐热性、以及抗化学性。 航天工业、汽车工业以及医疗产品业的生产制造商是第一批期待使用这种PPSF材料的用户。航天业将会喜欢该材料的难燃属性；汽车制造业也非常想应用其抗化学性以及在400度以上还能持续运作的能力；而医疗产品制造商将对PPSF材质的原型可以进行消毒的能力感到兴趣。 测试单位，Parker Hannifin安装了一个PPSF作的模型到汽车引擎中。该零件是一个名为crankcase vapor coalescer的过滤器，装在一组V8引擎并作40 小时的测试以决定过滤器媒介的效能。该零件收集的燃气包含有160度的润滑油，燃料，油烟，以及其它燃烧的化学反应生成物。Parker Hannifin的Russ Jensen说，“该装配件并没有产生外漏，并且其展现出与第一次装配时相同的强度与属性。我们相当满意它的表现。” 测试单位，MSOE (Milwaukee School of Engineering)的操作经理Sheku Kamara，同样地很满意该新材料。“当在玻璃熔融的450度时，在各种快速原型材料之中，PPSF材料还拥有着除了金属之外最高的操作温度以及坚硬度，”他说。“在粘着剂测试期间，PPSF原型零件遭受于温度从14度到392度的考验且依然保持完整。” 颜色 包含最常用到的白色，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。 图3、4 彩色模型装配件属性稳定度 不像SLA以及PolyJet的树脂，FDM材料的材料属性不会随着时间与环境曝晒而改变。就像是注塑成型的副本，这些材料几乎在任何环境下都会保持他们的强度，硬度以及色彩。 精准性 快速原型的尺寸精度取决于许多因素，而其结果可能会因为每个工件或是不同日期而有些微小变化。需要考虑的事情必须包含已知的条件，例如量测的时间范围，工件的修整以及环境的曝晒。Maxum，Titan以及Prodigy Plus精准度资料详见附表一。精度测试工件如图5、6所示，在每一台机器中均用层厚0.18 mm所建构以形成目前的精准性资料。 图5 图标的工件试用来比较精准性图6 所示的测试工件是用来做尺寸精度及运作时间分析。该工件是由FDM Titan在层厚0.18mm时制作的。表1为Maxum、Titan以及Prodigy Plus的尺寸精度资料。 所有的测试零件均用层厚0.18mm所建构。(单位：mm)工件建构 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，材料的年限以及合适的收缩率。 Z轴 这并非一定都会这样，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。 稳定性 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。如果温度度数变更，用SLA 或是PolyJet技术则不是这样的情形。 图7 大型工件的尺寸稳定后处理输出 许多RP件都需要手工完成工件的光滑性。例如，SLA需要从工件表面手动移除支撑结构，且工件表面需要一些手工打磨。这表示工件的精准性不再只是受到系统精度的作用。它现在是受到后处理技师的技术等级所控制。 对于塑型，装配以及功能性原型，多数的使用者发现FDM工件的表面精度是可以接受的。那么，当结合了水溶性支撑以及易剥离支撑，表示FDM原型的精准性不会受到手工的改变。当然，如果需要翻硅胶模用或是喷漆用的表面精度，FDM工件将需要后处理，如同其它的技术一样。既然这样，工件后处理技师的技艺在可以做到的原型精度上扮演了一个关键的角色。 图8 模型可烤漆 图9 模型可以真空电镀表面完工精度 受到使用者与Stratasys公司双方的公认，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，表面完工精度受到影响，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。表2所列的为Maxum与Titan的表面完工精度。为了改善表面完工精度，Maxum与Titan现在都提供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。而ABS与polycarbonate材料的硬度让打磨耗费人力（Stratasys公司提供免费打磨培训）。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。 表2：Maxum和Titan的表面精度资料。所有的测试零件均用层厚0.18mm所建构。特征定义 尽管高阶的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。 尽管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。 机械加工 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。 图10 原型上可进行加工处理，如锁螺丝操作上的考虑 在考虑原型的物理属性之后，注意力应该转移至操作的参数上。下列领域可以影响到原型在预期应用上的使用。 工件尺寸 不像某些快速原型技术，广告中FDM技术的建造范围就是最大的工件尺寸。在家族系列产品中，FDM技术提供了广泛的建造范围。Maxum，最超大型，所提供的工件尺寸可达600 x 500 x 600 mm。这样的建造范围与最大型的SLA系统相同。Titan，则提供最大的工件尺寸为406 x 355 x 406 mm。这样的建造范围稍微大于SLS Sinterstations系统。ProdigyPlus，办公室桌上型，拥有的建造范围为203 x 203 x 305