FDM 快速成型机
快速成型技术(Rapid Prototyping)http://www.gzet.ac.cn/index.php/Products/proctDetailed/classid/011001 是20 世纪80 年代中后期发展起来的一项新型的造型技术。RP 技术是将计算机辅助设计(CAD) 、计算机辅助制造(CAM) 、计算机数控技术(CNC) 、材料学和激光结合起来的综合性造型技术。RP 经过十多年的发展，已经形成了几种比较成熟的快速成型工艺:光固化立体造型( SL —Stereolithography) 、分层物体制造(LOM —Laminated Object Manufacturing) 、选择性激光烧结(SLS —Selected Laser Sintering) 和熔融沉积造型( FDM —Fused Deposition Modeling)等。这四种典型的快速成型工艺的基本原理都是一样的，但各种方法各有其特点。
本文主要介绍FDM 工艺的原理及其过程。
1 熔融沉积造型( FDM) 的工艺原理
1.1 快速成型技术的基本原理 快速成型技术是对零件的三维CAD 实体模型，按照一定的厚度进行分层切片处理，生成二维的截面信息，然后根据每一层的截面信息，利用不同的方法生成截面的形状。这一过程反复进行，各截面层层叠加，最终形成三维实体。分层的厚度可以相等，也可以不等。分层越薄，生成的零件精度越高，采用不等厚度分层的目的在于加快成型速度[
1.2 南宁临界四维FDM快速成型机 的工艺原理 如图1 所示。快速成型机的加热喷头受计算机控制，根据水平分层数据作x - y 平面运动。丝材由送丝机构送至喷头，经过加热、熔化，从喷头挤出粘结到工作台面，然后快速冷却并凝固。每一层截面完成后，工作台下降一层的高度，再继续进行下一层的造型。如此重复，直至完成整个实体的造型。每层的厚度根据喷头挤丝的直径大小确定。
FDM工艺原理图FDM 工艺关键是保持熔融的成型材料刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固点高1 ℃左右[2 ] 。目前，最常用的熔丝线材主要是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等。1998 年澳大利亚开发出了一种新型的金属材料用于FDM 工艺———塑料复合材料丝。
2 FDM快速成型机工艺的过程 FDM 快速成型的过程包括:设计三维CAD 模型、CAD 模型的近似处理、对STL 文件进行分层处理、造型、后处理。如图2 所示。 图2 快速成型的过程
2.1 设计三维CAD 模型 设计人员根据产品的要求，利用计算机辅助设计软件设计出三维CAD 模型。常用的设计软件有: Pro/ Engineering ， Solidworks ， MDT ， AutoCAD ，U G等。
2.2 三维CAD 模型的近似处理 产品上有许多不规则的曲面，在加工前必须对模型的这些曲面进行近似处理。目前最普遍的方法是采用美国3D System 公司开发的STL(Sterolithgraphy) 文件格式。用一系列相连的小三角平面来逼近曲面，得到STL 格式的三维近似模型文件。许多常用的CAD 设计软件都具有这项功能，如Pro/ Engineering ， Solidworks ， MDT ， Auto2 CAD ，U G等。
2.3 对STL 文件进行分层处理由于快速成型是将模型按照一层层截面加工，累加而成的。所以必须将STL 格式的三维CAD模型转化为快速成型制造系统可接受的层片模型。片层的厚度范围通常在01025～01762mm 之间。各种快速成型系统都带有分层处理软件，能自动获取模型的截面信息。
2.4 造型 产品的造型包括两个方面:支撑制作和实体制作。
FDM流程图2.4.1 支撑制作 由于FDM 的工艺特点，系统必须对产品三维CAD 模型做支撑处理，否则，在分层制造过程中，当上层截面大于下层截面时，上层截面的多出部分将会出现悬浮(或悬空) ，从而使截面部分发生塌陷或变形，影响零件原型的成型精度，甚至使产品原型不能成型。支撑还有一个重要的目的:建立基础层。在工作平台和原型的底层之间建立缓冲层，使原型制作完成后便于剥离工作平台。此外，基础支撑还可以给制造过程提供一个基准面[1 ] 。所以FDM 造型的关键一步是制作支撑。
2.4.2 实体制作 在支撑的基础上进行实体的造型，自下而上层层叠加形成三维实体，这样可以保证实体造型的精度和品质。
2.5 后处理 快速成型的后处理主要是对原型进行表面处理。去除实体的支撑部分，对部分实体表面进行处理，使原型精度、表面粗糙度等达到要求。但是，原型的部分复杂和细微结构的支撑很难去除，在处理过程中会出现损坏原型表面的情况，从而影响原型的表面品质。于是，1999 年St ratasys 公司开发出水溶性支撑材料，有效的解决了这个难题。目前，我国自行研发FDM 工艺还无法做到这一点，原型的后处理仍然是一个较为复杂的过程。
本文主要介绍FDM 工艺的原理及其过程。
1 熔融沉积造型( FDM) 的工艺原理
1.1 快速成型技术的基本原理 快速成型技术是对零件的三维CAD 实体模型，按照一定的厚度进行分层切片处理，生成二维的截面信息，然后根据每一层的截面信息，利用不同的方法生成截面的形状。这一过程反复进行，各截面层层叠加，最终形成三维实体。分层的厚度可以相等，也可以不等。分层越薄，生成的零件精度越高，采用不等厚度分层的目的在于加快成型速度[
1.2 南宁临界四维FDM快速成型机 的工艺原理 如图1 所示。快速成型机的加热喷头受计算机控制，根据水平分层数据作x - y 平面运动。丝材由送丝机构送至喷头，经过加热、熔化，从喷头挤出粘结到工作台面，然后快速冷却并凝固。每一层截面完成后，工作台下降一层的高度，再继续进行下一层的造型。如此重复，直至完成整个实体的造型。每层的厚度根据喷头挤丝的直径大小确定。
FDM工艺原理图FDM 工艺关键是保持熔融的成型材料刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固点高1 ℃左右[2 ] 。目前，最常用的熔丝线材主要是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等。1998 年澳大利亚开发出了一种新型的金属材料用于FDM 工艺———塑料复合材料丝。
2 FDM快速成型机工艺的过程 FDM 快速成型的过程包括:设计三维CAD 模型、CAD 模型的近似处理、对STL 文件进行分层处理、造型、后处理。如图2 所示。 图2 快速成型的过程
2.1 设计三维CAD 模型 设计人员根据产品的要求，利用计算机辅助设计软件设计出三维CAD 模型。常用的设计软件有: Pro/ Engineering ， Solidworks ， MDT ， AutoCAD ，U G等。
2.2 三维CAD 模型的近似处理 产品上有许多不规则的曲面，在加工前必须对模型的这些曲面进行近似处理。目前最普遍的方法是采用美国3D System 公司开发的STL(Sterolithgraphy) 文件格式。用一系列相连的小三角平面来逼近曲面，得到STL 格式的三维近似模型文件。许多常用的CAD 设计软件都具有这项功能，如Pro/ Engineering ， Solidworks ， MDT ， Auto2 CAD ，U G等。
2.3 对STL 文件进行分层处理由于快速成型是将模型按照一层层截面加工，累加而成的。所以必须将STL 格式的三维CAD模型转化为快速成型制造系统可接受的层片模型。片层的厚度范围通常在01025～01762mm 之间。各种快速成型系统都带有分层处理软件，能自动获取模型的截面信息。
2.4 造型 产品的造型包括两个方面:支撑制作和实体制作。
FDM流程图2.4.1 支撑制作 由于FDM 的工艺特点，系统必须对产品三维CAD 模型做支撑处理，否则，在分层制造过程中，当上层截面大于下层截面时，上层截面的多出部分将会出现悬浮(或悬空) ，从而使截面部分发生塌陷或变形，影响零件原型的成型精度，甚至使产品原型不能成型。支撑还有一个重要的目的:建立基础层。在工作平台和原型的底层之间建立缓冲层，使原型制作完成后便于剥离工作平台。此外，基础支撑还可以给制造过程提供一个基准面[1 ] 。所以FDM 造型的关键一步是制作支撑。
2.4.2 实体制作 在支撑的基础上进行实体的造型，自下而上层层叠加形成三维实体，这样可以保证实体造型的精度和品质。
2.5 后处理 快速成型的后处理主要是对原型进行表面处理。去除实体的支撑部分，对部分实体表面进行处理，使原型精度、表面粗糙度等达到要求。但是，原型的部分复杂和细微结构的支撑很难去除，在处理过程中会出现损坏原型表面的情况，从而影响原型的表面品质。于是，1999 年St ratasys 公司开发出水溶性支撑材料，有效的解决了这个难题。目前，我国自行研发FDM 工艺还无法做到这一点，原型的后处理仍然是一个较为复杂的过程。
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