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FDM打印工艺的原理、特点及应用

相对于去除多余材料生产零部件的传统加工工艺,3D打印的典型特点是采用逐层累计材料的方式来加工产品。目前,3D打印的材料包括液体、粉末、线材、片材等,运用热、化学反应等方式来固化得到实体产品。自上世纪80年代以来,各种成型工艺百花齐放,典型的3D打印工艺有FDM、SLA、SLS、SLM、Polyjet等。

FDM(Fused Deposition Modeling)在国内翻译为熔融沉积成型,国外也有FFF(Fused Filament Fabrication)、FLM(Fused Layer Modeling/Manufacturing)等称呼方式。该工艺于1988年由Stratasys创始人Scott Crump发明,是目前应用最广的工艺,市面上绝大部分桌面机都使用该成型原理。

一、FDM工艺原理

FDM工艺通过高温喷嘴熔融并挤出塑料线材,线材在平台或者已加工产品上堆积、冷却、固化,逐层累计得到实体。

加热喷头在计算机的控制下,根据CAD确定的工件截面轮廓信息,沿XY水平面运动。热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头,并在喷头中加热和熔化成半液态,然后被挤压出来,有选择性的涂覆在工作台上,快速冷却后形成一层大约0.1-0.2mm厚的工件薄片轮廓和支撑结构。一层截面成型完成后工作台下降一个层厚,再进行下一层的沉积,好像一层层“画出”截面轮廓,如此循环,最终形成三维产品。

FDM工艺原理             FDM打印机

FDM成型工艺需要支撑将产品固定在平台上,对于悬臂结构也会形成支撑。通过增加喷头数量,支撑材料与产品材料可以不相同,也可以进行多种材料的混合打印。目前FDM桌面机以单喷头和双喷头为主,在类似二维码的简单双色产品上应用较多。

二、FDM工艺的优势、劣势

FDM工艺可加工标准塑料,产品可作为功能件使用。但是,产品在Z轴方向为各向异性,复杂产品表面会有台阶纹。

1)材料种类繁多,如标准工程塑料ABS、PLA、PC等。

2)产品力学性能较好,通常可代替相应注塑件长期使用。

3)类似与传统加工工艺,所得产品也可进行相关后期处理。

4)受逐层堆积加工方式的影响,产品在垂直方向力学性能较差。

5)FDM工艺精度较低,有复杂曲面的产品表面会有台阶纹。

三、FDM工艺应用范围

1)快速加工手板样件,可用于外观验证、装配校核及功能测试。

2)可直接生产夹具、连接结构、辅具等。

3)对某些类型产品,可以用标准塑料小批量生产。

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