熔丝堆积成形工艺
一、熔丝堆积成形的发展及其定义
熔丝堆积成形（Fused Deposition Modeling—FDM）产生于1988年。熔丝堆积成形工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成型。如图1-1，材料抽成丝状后，送丝机构将它送达加热喷嘴，并被加热熔化，喷嘴在平面内沿着零件截面轮廓和填充轨迹移动，同时将熔融材料挤出，并与周边材料粘结固化，达到成形，再层层叠加形成立体模型。
图1—1 熔积成形法原理图
a)熔积法成形的示意图 b)熔积成形5000，熔积成形设备
二、熔丝堆积的特点
熔丝堆积成形优点：
1）可以成型任意复杂的零件，常用于成型具有复杂内腔或内孔的零件。 2）蜡作原型可以直接用于熔模铸造。
3）材料利用率高，原材料无毒，可在办公环境安装。无化学变化，制件的翘曲变形小。
4）系统构造原理简单、操作方便、成本低、运行安全。
5）无需支撑、无需化学清洗、无需分离。 熔丝堆积成形缺点：
1）成型件表面有明显的条纹 2）沿成型轴垂直方向的强度差
3）对整个截面扫描涂覆，成型时间长。
4）原材料价格高
三、 FDM成形精度包括尺寸误差、几何误差及表面粗糙度。在FDM的成型过程中 ,影响这三者的因素如下:
(1) 材料收缩。材料在FDM工艺过程中经过固体-液体-固体2次相变。当材 料凝固成形时 ,由材料收缩而产生的应力应变将影响成形件精度。若成形过程中的材料确定 ,该种误差可通过在目前的数据处理软件中 ,设定 x, y, z这 3个方向上的“收缩补偿因子” 进行尺寸补偿来消除。
(2) 喷头温度和成形室温度。喷头温度决定了材料的粘结性能、堆积性能、丝材流量以及挤出丝宽度 ,既不可太低 ,使材料粘度加大,挤丝速度变慢,也不可太高,使材料偏向于液态 ,粘性系数变小,流动性强,挤出过快,无法形成可精确控制的丝。喷头温度的设定应根据丝材的性质在一定范围内选择,以保证挤出的丝呈熔融流动状态。成形室的温度会影响到成形件的热应力大小 ,温度过高 ,虽然有助于减少热应力,但零件表面易起皱;而温度太低,从喷嘴挤出的丝骤冷将使成形件热应力增加 ,易引起零件翘曲变形。实验证明,为了顺利成形,应该把成形室的温度设定为比挤出丝的温度低1 ℃～2 ℃。本实验将成形室温度设定为55 ℃。
(3) 分层厚度。是指在成形过程中每层切片截面的厚度。由于每层有一定厚度 ,会在成形后的实体表面产生台阶的现象 ,将直接影响成形后实体的尺寸误差和表面粗糙度。对 FDM工艺 ,这是一种原理性误差 ,要完全消除台阶是不可能的,只可能通过设定较小的分层厚度来减少台阶效应。
(4) 补偿量。是指零件实际加工轮廓线与理想轮廓线之间的距离值。该值的设定与挤出丝的直径有关 ,可以在分层切片数据处理软件直接设定。
(5) 挤出速度与填充速度及其交互作用。在与填充速度合理匹配范围内 ,随
着挤出速度增大 ,挤出丝的截面宽度逐渐增加 ,当挤出速度增大到一定值挤出的丝粘附于喷嘴外圆锥面 ,就不能正常加工填充速度比挤出速度快 ,则材料填充不足 ,出现断丝现象 ,难以成形。相反 ,填充速度比挤出速度慢 ,熔丝堆积在喷头上 ,使成形面材料分布不均匀 ,表面会有疙瘩 ,影响造型质量。因此 ,填充速度与挤出速度之间应在一个合理的范围内匹配,应满足vj / vt = [ a1 , a2 ] (1式中: a1 为出现断丝现象的临界值; a2 为出现粘附现象的临界值; v为挤出速度; v 为填充速度。
(6) 成形时间。每层的成形时间与填充速度该层的面积大小及形状的复杂度有关。若层面积小 ,形状简单 ,填充速度快 ,则该层成形的时间就短相反 ,时间就长。在加工时 ,控制好每层的成形时间 ,才能获得精度较高的成形件。
(7) 开启和关闭延时。即丝材堆积的起停效应 ,主要是以丝材堆积截面的变化体现出来 ,这种堆积截面的不一致容易造成丝材堆积平面的不平整出现空洞等质量缺陷。而“拉丝 ” 现象会影响到原型的表面光顺和填充层层内丝材堆积面的平整性它的根本解决需要出丝速度能够实时地藕合跟踪扫描速度 ,针对扫描速度的变化作出相应的调整 ,以使丝材堆积平稳可靠 ,提高丝材的堆积质量。 综上所述可知融化的丝从喷嘴孔挤出，在自由状态时，挤出丝呈圆柱形，由于丝本身的温度比环境温度高很多，因而当脱离喷嘴内孔的约束后，在其下端面处会马上膨胀，但随后很快凝固，从而使挤出丝的直径比喷嘴孔直径略大一些；在加工状态时，挤出丝由于受挤压不会呈圆柱形，而是具有一定宽度的扁平形状。影响实际丝宽的因素有喷嘴孑L直径、原始丝直径、分层厚度、挤出速度、填充速度、喷嘴温度、成形室温度以及材料收缩率。在某个具体的成形过程中，喷嘴孔直径、原始丝直径、分层厚度及线膨胀系数都是确定的，只有挤出速度、填充速度、喷嘴温度和成形室温度影响到挤出丝的截面形状和尺寸。 挤出速度是指喷头内熔融态丝从喷嘴挤出的速度，单位时间内挤出丝体积与挤出速度成正比。填充速度则是指喷头在运动机构的作用下，按轮廓路径和填充路径运动时的速度。在保证运动机构运行平稳的前提下，填充速度越快，成型时间越短，效率越高。另一方面，为了保证连续平稳地出丝，需要将挤出速度和填充速度进行合理匹配，使得喷丝从喷嘴挤出时的体积等于粘结时的体积。在与填充速度合理匹配范围内，如果出丝太慢，则材料填充不足，出现断丝现象，难以成形；随着挤出速度增大，挤出丝的截面宽度逐渐增加，当挤出速度增大到一定值，熔丝堆积在喷头上，使成型面材料分布不均匀，表面会有疙瘩，影响造型质量。 挤出速度由输入送丝机构直流电动机的电压来控制。控制直流电动机的直流电源一般有几档电压可进行转换，电压大则送丝速度快。送丝速度太小时，由于没有足够的丝材送入喷头挤出而使出丝不饱满，出丝速度降低。送丝速度增大时，丝材在一定力的作用下挤入喷头，压缩已融化的丝料在喷头圆柱腔内产生一定的压强，再通过螺杆的正旋在喷嘴内产生强压，使熔融丝以一定的速度挤出。由于在喷头圆柱腔内保持有一定的压力，因而丝会连续挤出。当送丝速度增大到一定值时，螺杆的挤出跟不上送丝速度，丝材送入受阻，熔丝会堆积起来，使起导向和传递丝材的塑料软管扭曲，直至丝被折断。
单位时间内挤出丝的体积与挤出速度成正比，速度增大时挤出的丝也多，在与填充速度合理匹配的范围内，相应的丝宽增大。成形时实际的填充速度既不能太低也不能太高，应存在一个合理的选用范围速度太低，加：【效率降低，易产生过堆积；速度太高时会使喷头产生机械颤动，影响零件的精度，而且当填充速度远大于挤出速度时，丝被拉成很细的丝线，不能正常加工，因而填充速度与挤