熔融沉积快速成型技术研究进展

吴 涛 倪荣华 王广春

(山东大学 工程训练中心，山东 济南 250002）

1 熔融沉积快速成型简介

基于CAD/CAM技术的快速成型技术（又称3D打印技术）近年来成为社会与科技热点。该技术是利用CAD模型驱动，通过特定材料运用逐层累积方式制作三维物理模型的先进制造技术[1]。整个产品制造过程无需开发模具，利用计算机三维实体建模得到的模型即可直接打印制件，因此可以实现产品的快速制造。

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)则是一种近十几年来得到迅速发展的快速成型制造工艺。该工艺又叫熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来，根据零件的分层截面信息，按照一定的路径，在成型板或工作台上进行逐层地涂覆。由于热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。与SLA、SLS等工艺不同，熔融沉积在成型过程中不需要激光，设备维护方便，成型材料广泛，自动化程度高且占地面积小，目前被广泛应用于产品开发、快速模具制作、医疗器械的设计开发及人体器官的原型制作，代表着快速成型制造技术的一个重要发展方向。但是，由于其成型过程为半固态到固态过程的转化，分层厚度不易降低以及热熔性材料冷却过程中的收缩等因素，使得成型件的精度难以得到保证，也制约了熔融沉积成型的发展。目前国内外学者针对熔融沉积快速成型设备、材料、工艺以及数值模拟等方面开展了一系列研究并取得了阶段性成果。

2 熔融沉积快速成型设备方面的研究进展

当前FDM设备制造系统应用最为广泛的主要是美国Stratasys公司的产品,从1993年Stratasys公司开发出第一台FDM1650机型以来，先后推出了FDM-2000，FDM-3000和FDM-8000机型。从FDM-2000开始，设备采用了双喷头，一个喷头涂覆成型材料，另一个喷头涂覆支撑材料，从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体积 600mm×500mm×600mm的FDMQuantum机型，在这种机型中，采用了挤出头磁浮定系统，可在同一时间独立控制两个挤出头，进一步提高了造型速度。现Stratasys公司的主要产品有适合办公室使用的FDM Vantage系列产品和可成型多种材料的FDM Titan系列产品,另外还有成型空间更大且成型速度更快的FDM Maxum系列产品,还有适合成型小零件的紧凑型ProdigyPlus成型机[2]。

在国内，清华大学与北京殷华公司进行了FDM工艺商品化系统的研制工作，并推出熔融挤压制造设备MEM250。上海富力奇公司的TSJ系列快速成型机采用了螺杆式单喷头，华中科技大学和四川大学正在研究开发以粒料、粉料为原料的螺杆式双喷头[3]。

3 熔融沉积快速成型材料方面的研究进展

FDM工艺的成型材料应满足有一定的弯曲强度、压缩强度和拉伸强度；材料的收缩率应小；保证各层之间有足够的粘结强度。

在国内，北京航空航天大学对短切玻璃纤维增强ABS复合材料进行了改性研究。他们通过加入短切玻纤、适量增韧剂和增容剂，提高ABS的强度、硬度和韧性，并降低ABS的收缩率，减小制品的形变。北京太尔时代公司通过和国内外知名的化工产品供应商合作，在2005年推出高性能FDM成型材料ABS 04，与美国Stratasys公司生产的ABS P400性能相近，具有变形小、韧性好的特点，适合装配测试，可替代进口材料，降低生产成本。近年来，华中科技大学研究了改性聚苯乙烯支撑材料。

国外，1998年澳大利亚的Swinburne工业大学研究了一种金属-塑性复合材料，可用FDM工艺直接快速制模。2001年美国Stratasys公司推出了支持FDM技术的工程材料PC。用该材料生产的原型可达到并超过ABS注射成型的强度。之后又推出了支持FDM技术的工程材料PPSF，它有着最高的耐热性、强韧性以及耐化学性。随后又开发了工程材料PC／ABS。PC／ABS结合了PC的强度以及ABS的韧性，性能更好。

4 熔融沉积快速成型工艺方面的研究进展

对于给定的快速成型系统，工艺参数的优化设置会在不引起附加费用的情况下大幅度改善原型件的质量。

国内的大连理工大学的郭东明教授等人进行了FDM工艺参数优化设计，先是提出丝宽理论模型，后通过正交试验得到影响试件尺寸精度及表面粗糙度的显著因素，并进行参数优化，大幅度提高了成型件的成型精度。印度的国家铸造锻造技术研究所研究了几个工艺参数不同对制件机械性能的影响。他们得出层数过多、光栅线间距过大、光栅宽度过小、气隙过大对制件机械性能不利的结论。FDM工艺的主要用途之一是制作概念模型和模具，这都需要制件良好的表面质量及最小的翘曲变形。美国德雷塞尔大学用田口实验设计方法找到最少实验运行数量和最佳工艺参数的设置，使用三维、几何和表面粗糙特征的基准开展研究。发现了零件输出的质量和输入制造工艺参数之间的功能关系。意大利巴里大学经过实验对比发现切片高度和光栅宽度是十分重要的工艺参数，而喷头直径则对制件表面质量影响较少，指出原型件表面粗糙度随切片高度和光栅宽度的增大而显著增大，而随喷头直径的增大而略微减少。西南科技大学的研究人员针对狭长薄壁体的成形翘曲变形，采用ABS材料的半球壳、狭长薄壁体试件进行了实验，然后对结果进行分析，最终提出了解决方法。上海交通大学机械与动力工程学院研究人员分析变形产生的根源及其作用机理，建立了成型过程中原型的翘曲变形模型，并定量地分析了各种因素对原型变形的影响程度。

5 熔融沉积快速成型数值模拟方面的研究进展

到目前为止，熔融沉积成型技术的主要研究都建立在实验及定性分析上，不符合经济高速发展所要求的的高质量、低成本。所以用合理数值模拟方法及少量的实验验证，来代替以往大量重复实验的方法势在必行。通过有限元模拟的方法能够得到熔融沉积成型过程中的温度场及应力场分布，甚至可以将整个成型过程模拟出来，从而找到成型过程中的问题及改进方法。采用数值模拟方法可快速确定扫描方式，提高了生产效率，同时极大地降低了成本。

国内清华大学的裴琳、吴任东等人通过有限元分析研究了扫描速度对熔融堆积成性影响，比较不同扫描速度下零件的应力和变形，从理论上验证了告诉扫描的合理性和可行性。北京化工大学宋丽莉等对熔融沉积成型温度场进行了数值模拟，进一步分析了扫描精度对成型件精度的影响。

国外新加坡国立大学F.Xu、Y.S.Wong等研究了遗传算法在快速成型中的应用，开发了一个基于遗传算法的快速成型工艺参数优化的软件系统，给出了详细的算法和具体优化实例。C.Bellellumeur等应用ANSYS建立了熔融沉积快速成型温度场的有限元模拟模型，模拟了ABS聚合体细丝的熔融沉积快速成型温度场的数值模拟研究，得出了合理的温度范围。华盛顿州立大学S.J.i Kalita、S.Bose等研究了熔融沉积快速成型件内部多孔性特征，分析了不同材料在成型后的孔洞的不同，为选择合理的熔融沉积快速成型材料提供了依据。

[1]王广春，赵国群.快速成型与快速模具制造技术及其应用[M].2版.北京：机械工业出版社，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]刘斌，谢毅.熔融沉积快速成型系统喷头应用现状分析[J].工程塑料应用，2008，36（12）：68-71.