FDM打印质量缺陷及分析.doc
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1、FDM打印质量缺陷及分析1 FDM打印技术概述 熔融沉积成形Fused Deposition Modeling(FDM)是3D打印技术中的一种典型加工工艺。3D打印技术,又称增材制造技术,是结合CAD技术将模型离散成有限个单元,并逐层加工堆积成形的加工方式1。英国经济学人杂志将3D打印技术喻为第三次工业革命的推动力量2。得益于累积加工方式,3D打印技术无需考虑减材制造中涉及的刀具所需空间和轨迹,因此其成形灵活性更高、设计难度低且生产周期短,目前广泛应用于机械加工、模具制造、教育、医疗及航空航天等多个领域。 3D打印技术起源于分层制造法,由J. E. Blanther在1892年提出,并在早期应
2、用于制作地形图。1988年,美国3D systems研制出FDM打印技术,并发明了第一台快速成形机,随后DTM、Z Crop等多家公司也不断研制并推出3D打印技术及设备,推动了3D打印技术的快速发展。国内也积极开展了对于FDM技术的研发,西安交通大学、北京航空航天大学都相继建立了工作室,同时市场也涌现出了大批的科技公司,成功研制出了FDM设备及接口软件3,促进了该技术在国内的推广和应用。 2 FDM打印技术原理 3D打印技术的基本原理是离散和堆积4。首先利用CAD或者逆向工程技术完成模型的建立,在程序处理的过程中,将构建好的模型沿着一定的方向离散成有限个单元,每个单元可近似地看成平面,并生成加
3、工轨迹。在加工的过程中,每次完成一个平面的加工,再通过层与层之间的连接进行堆积,累积成三维实体,最终完成三维成形。 熔融沉积成形原材料为丝状塑料,加工时利用辊子将丝送入喷头,塑料在喷头高温的作用下迅速融化,并由喷头挤出并粘结至工作台或已成形表面,随后快速冷却凝固,每粘结完一层,喷头上升或工作台下降一定高度,以进行下一层的粘结,如此循环最终获得制件。制件完成后要进行去支撑、光滑表面等后处理操作5。 3 FDM打印主要质量缺陷及分析 熔融沉积成形虽然有其快速便捷的优势,但也存在成形精度低、表面质量差,加工速度慢等缺点。其生产的制件主要质量缺陷有以下几种: 3.1 强度不够 强度不够是FDM制件的主
4、要问题,也因此限制了该技术的应用范围。强度问题主要是由于工艺和材料导致的。首先,打印材料对制件强度起着决定性作用,FDM应用的材料为塑料,如工程塑料ABS,聚碳酸酯PC和聚乳酸PLA等。但不同的塑料强度差异很大,ABS材料的强度和韧性就明显好于PLA材料,但由于PLA属于生物降解材料,材料价格低廉且更加环保,应用PLA材料的打印设备成本也相对较低,因此PLA材料在示范教学中应用得更为广泛。对于材料的选择,应综合考虑制件性能需求、应用范围及经济性等多个因素,选择更为合适的材料。其次,FDM的原理是将实体模型分成若干层,对每层进行打印,层与层之间依靠材料融化后重新凝固进行连接。而这种连接方式的强度
5、则受到材料热物理特性和模型的影响。当模型截面较小时,两层之间的连接部分面积过小,则会导致连接强度不够,在后期模型处理或受力的过程中很容易发生折断。因此,在模型设计的过程中,应尽量避免尺寸过小的连接部分。 3.2 表面质量差 FDM打印过程中常出现的另一种缺陷是表面拉丝,这些丝有时呈点状,有时呈长条状,直接影响制件的表面质量及使用性能,对于需要精密配合的制件,表面质量差会直接导致装配精度不达标甚至无法装配。表面拉丝是由于喷头在材料外表面停止挤出材料时,仍有一部分融化的材料受到重力的作用流出喷头,附着在制件表面,形成点或长条。现有设备大多通过在打印停止时进行材料丝回抽来缓解表面拉丝问题,该方法在每
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