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      簡述熔融沉積快速成型技術(shù)

      2020-09-03 04:33:48林澤鋒
      科學(xué)與財(cái)富 2020年17期
      關(guān)鍵詞:流道熔體熔融

      林澤鋒

      摘 要:簡單介紹了熔融沉積快速成型技術(shù)(FDM)的原理、發(fā)展過程及其應(yīng)用,并展望了FDM快速成型技術(shù)的未來前景。

      關(guān)鍵詞:FDM;快速成型;3D打印

      1? 前言

      熔融沉積快速成型是繼光固化快速成型和疊層實(shí)體快速成型工藝后的另一種應(yīng)用比較廣泛的快速成型工藝。該技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的一種3D打印技術(shù),同時(shí)也是最早開源的3D打印技術(shù)之一,隨著材料的開發(fā),F(xiàn)DM技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣,涉及的領(lǐng)域也越來越多,本文將會(huì)從FDM快速成型技術(shù)的原理、其發(fā)展過程,其應(yīng)用等方面進(jìn)行介紹,分析FDM快速成型技術(shù)的前景。

      2? FDM快速成型技術(shù)的基本原理

      熔融沉積又稱熔絲沉積,它是將絲狀的熱熔性材料加熱融化,通過帶有一個(gè)微細(xì)噴嘴的噴頭擠壓出來。從數(shù)學(xué)方面看,F(xiàn)DM堆砌過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)三維積分過程,即計(jì)算機(jī)控制成型設(shè)備以dz的層厚在各個(gè)Z高度上進(jìn)行平面積分。在各個(gè)Z 高度上的平面積分,則由計(jì)算機(jī)按零件的截面形狀,將dx(或dy)變形處理為適合于設(shè)備進(jìn)行填充運(yùn)動(dòng)的積分形式。由成型設(shè)備以各z高度上截面形狀填充出的以dZ為高度的薄層,在z方向上疊加堆砌出零件的近似實(shí)體。 從物理方面看,材料通過送料機(jī)構(gòu)進(jìn)給,在通過打印噴頭時(shí)受熱熔化并擠出,當(dāng)噴頭沿工件內(nèi)外截面輪廓和內(nèi)部填充軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí),擠出的材料迅速固化,并與已固化的材料粘結(jié),逐層堆積,形成實(shí)體工件。

      3? FDM快速成型技術(shù)的發(fā)展過程

      自1988年斯科特.克倫普研發(fā)了熔融沉積成型(FDM)技術(shù)以來,F(xiàn)DM技術(shù)就一直在優(yōu)化,本文將從流道形狀設(shè)計(jì)、噴嘴、打印材料幾個(gè)方面介紹FDM技術(shù)的發(fā)展歷程。

      3.1? FDM流道形狀的設(shè)計(jì)

      流道形狀關(guān)乎產(chǎn)品形成速度、精度,因而設(shè)計(jì)出一個(gè)最佳形狀的流道非常重要。

      Wang等[4]針對噴嘴形狀提供了5設(shè)計(jì)理念。閔暢[5]提出將流道最前端加長,通過增大內(nèi)壁面積,加大熔體對內(nèi)壁粘附力,阻止打印材料停止打印時(shí)在擠壓力作用下向下滴落的現(xiàn)象。Han等研究了混色熔體在Y型流道中流動(dòng)情況,結(jié)果表明熔體在流道中具有復(fù)雜的流動(dòng)行為,且容易在流道交叉處發(fā)生堵塞現(xiàn)象。MOSTAFA等分別從二維和三維角度數(shù)值模擬了復(fù)合材料是如何在90 °彎管流道中進(jìn)行流動(dòng),其研究結(jié)果為復(fù)合材料熔體流動(dòng)模型的建立和參數(shù)的優(yōu)化提供了有價(jià)值的信息。

      學(xué)者多以理論建模為主,例如二維、三維建模,實(shí)際試驗(yàn)為輔對流體流動(dòng)進(jìn)行研究,不斷優(yōu)化流道的形狀,設(shè)計(jì)出最合適的流道結(jié)構(gòu)。

      3.2? FDM噴嘴研究進(jìn)展

      材料熔融之后被擠壓到噴嘴處,控制系統(tǒng)控制堆積過程至產(chǎn)品成型。噴嘴處的溫度、結(jié)構(gòu)及材料會(huì)影響流體的流動(dòng)行為,從而使產(chǎn)品的表面精度,很多國內(nèi)外研究學(xué)者對噴嘴進(jìn)行了大量研究。

      噴嘴處溫度降低會(huì)引起噴嘴處熔體堵塞,噴嘴處溫度的高低決定了熔絲的黏度、擠出絲的流量、材料的粘結(jié)性能、堆積性能以及擠出絲的寬度。

      吳明星等提出在噴嘴處增加加熱孔和溫度傳感器,能嚴(yán)格控制噴嘴處的溫度,在打印過程中能讓噴嘴穩(wěn)定出料。賈永臻模擬分析發(fā)現(xiàn)溫度驟降會(huì)引起噴嘴堵塞問題,提出在噴嘴處添加保溫措施是避免熔體堵塞噴嘴的有效手段。針對噴嘴位置的材料研究,劉曉軍提出將噴嘴材料從鋁青銅改為鈹青銅,可以使噴嘴溫度分布趨于均勻,熔體穩(wěn)定流動(dòng),減小熔體在噴嘴內(nèi)打滑現(xiàn)象,降低熔體堵塞噴嘴的可能性。

      3.3? 用于FDM打印的材料

      目前用于FDM打印的材料多是PLA與ABS等低熔點(diǎn)單一聚合物,雖然可以打印出各種產(chǎn)品零件,但是材料的機(jī)械性能和功能有限,因而需要開發(fā)出更好性能來解決材料的局限性,能夠使FDM打印適應(yīng)更多領(lǐng)域的應(yīng)用。

      隨著低熔點(diǎn)聚合物在FDM中的不斷優(yōu)化,研究人員已經(jīng)開始研究具有高化學(xué)性能和高耐熱性的高性能聚合物材料,如聚乙烯亞胺( PEI)、聚醚酮( PEKK)、聚苯乙烯( PS)和聚醚醚酮( PEEK)。印機(jī)有非常高的要求。李滌塵等利用FDM式控性冷沉積法定制的PEEK材料的胸骨、肋骨等復(fù)雜形狀的大尺寸假體已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了臨床應(yīng)用。LeuMC等通過一個(gè)三擠出頭機(jī)構(gòu)對石灰石(CaCO,)和氧化鋁( Al2O3)與氧化鋯(ZrO2)之間的綠色組分進(jìn)行分級匹配,成功地制造了成分均勻過渡的梯度陶瓷零件。

      4? FDM打印技術(shù)的應(yīng)用

      隨著材料的研發(fā),使得FDM打印技術(shù)能夠更多地在不同的領(lǐng)域應(yīng)用,比如醫(yī)學(xué)、航空、食品、日常用品等。

      4.1? 汽車工業(yè)

      在汽車生產(chǎn)過程中,大量使用熱塑性高分子材料制造裝飾部件和部分結(jié)構(gòu)部件。與傳統(tǒng)加工方法相比,F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)可以大大縮短這些部件的制造時(shí)間,在制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜部件方面更是將優(yōu)勢展現(xiàn)得淋漓盡致。同時(shí),F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)能夠一次成型,可以省去大部分傳統(tǒng)連接部件。

      目前FDM打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域方面的應(yīng)用優(yōu)勢在與能夠?yàn)橐恍┨厥庥锰幍钠嚾珥敿壻愜?,制造一些個(gè)性化或者特殊功能的零件提供快速更新的方便。

      4.2? 航空航天

      隨著人類對天空以及地球外空間的逐步探索,進(jìn)一步減輕飛行器的質(zhì)量就成為設(shè)備改進(jìn)與研發(fā)的重中之重。采用FDM 3D打印技術(shù)制造的零件由于所使用的熱塑性工程塑料密度較低,與使用其它材料的傳統(tǒng)加工方法相比,所制得的零件質(zhì)量更輕,符合飛行器改進(jìn)與研發(fā)的需求。在飛機(jī)制造方面,波音公司和空客公司已經(jīng)應(yīng)用FDM 3D打印技術(shù)制造零部件。例如,波音公司應(yīng)用FDM 3D打印技術(shù)制造了包括冷空氣導(dǎo)管在內(nèi)的300種不同的飛機(jī)零部件;空客公司應(yīng)用FDM 3D打印技術(shù)制造了A380客艙使用的行李架。

      4.3? 醫(yī)療

      某些精密手術(shù)想要取得預(yù)期的治療效果,就必須采取最佳的手術(shù)方式,但通常情況下不允許醫(yī)生通過多次實(shí)踐得出結(jié)論,給手術(shù)帶來一定的難度和風(fēng)險(xiǎn)。FDM 3D打印技術(shù)可以和CT、核磁共振等掃描方法相結(jié)合,在手術(shù)前通過精確打印所需治療部位的器官模型,大大提高一些高難度手術(shù)的成功幾率,增強(qiáng)手術(shù)治療效果。精確打印器官等人體模型的作用并不只局限于提高手術(shù)效果。在當(dāng)今供體越發(fā)稀少且潛在供體不匹配等情況下,通過FDM 3D打印技術(shù)制造的外植體為解決這一緊急問題提供了一種全新的方法。例如,2013年3月,美國OPM公司打印出聚醚醚酮(PEEK)材料的骨移植物,并首次成功地替換了一名患者病損的骨組織;

      4.4? 其他領(lǐng)域

      在建筑領(lǐng)域,F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)能夠制作出符合設(shè)計(jì)需求的建筑物模型, 從而驗(yàn)證樓宇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合要求;在機(jī)器人制造領(lǐng)域,F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)能夠一次成型連接件,從而將舵機(jī)連接在一起,完成雙足機(jī)器人的組裝;在模具制造領(lǐng)域,由于 FDM 3D打印技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn),對于生產(chǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具具有無與倫比的速度優(yōu)勢。

      5? 未來FDM 3D打印技術(shù)的前景

      隨著材料的研發(fā),會(huì)有更多的材料適應(yīng)FDM 3D打印技術(shù),F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)會(huì)應(yīng)用在更多的領(lǐng)域,由于熔融沉積獨(dú)有的優(yōu)勢(速度慢,精度高),未來應(yīng)用在航空方面會(huì)更多。

      參考文獻(xiàn):

      [1]曹明元.3D打印技術(shù)概論[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016.

      [2]高瞻. FDM設(shè)備的工作原理及與其他快速成型技術(shù)的比較[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化, 1996, (5):7-10,45.

      [3]韓江, 王益康, 田曉青等. 熔融沉積(FDM)3D打印工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究*[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2016, (6):139-142,146.

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