金屬材料的快速成型技術(shù)

摘要:快速成型的工藝過(guò)程具體如下:l)產(chǎn)品三維模型的構(gòu)建。由于RP系統(tǒng)是由三維CAD模型直接驅(qū)動(dòng),因此首先要構(gòu)建所加工工件的三維CAD模型。該三維CAD模型可以利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件(如Pro/E,I-DEAS,SolidWorks,UG等)直...
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  快速成型的工藝過(guò)程具體如下:

金屬材料的快速成型技術(shù)

  l)產(chǎn)品三維模型的構(gòu)建。由于RP系統(tǒng)是由三維CAD模型直接驅(qū)動(dòng),因此首先要構(gòu)建所加工工件的三維CAD模型。該三維CAD模型可以利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件(如Pro/E,I-DEAS,SolidWorks,UG等)直接構(gòu)建,也可以將已有產(chǎn)品的二維圖樣進(jìn)行轉(zhuǎn)換而形成三維模型,或?qū)Ξa(chǎn)品實(shí)體進(jìn)行激光掃描、CT斷層掃描,得到點(diǎn)云數(shù)據(jù),然后利用反求工程的方法來(lái)構(gòu)造三維模型。

  2)三維模型的近似處理。由于產(chǎn)品往往有一些不規(guī)則的自由曲面,加工前要對(duì)模型進(jìn)行近似處理,以方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。由于STL格式文件格式簡(jiǎn)單、實(shí)用,目前已經(jīng)成為快速成型領(lǐng)域的準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)接口文件。它是用一系列的小三角形平面來(lái)逼近原來(lái)的模型,每個(gè)小三角形用3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和一個(gè)法向量來(lái)描述,三角形的大小可以根據(jù)精度要求進(jìn)行選擇。STL文件有二進(jìn)制碼和ASCll碼兩種輸出形式,二進(jìn)制碼輸出形式所占的空間比ASCⅡ碼輸出形式的文件所占用的空間小得多,但ASCⅡ碼輸出形式可以閱讀和檢查。典型的CAD軟件都帶有轉(zhuǎn)換和輸出STL格式文件的功能。

  3)三維模型的切片處理。根據(jù)被加工模型的特征選擇合適的加工方向,在成型高度方向上用一系列一定間隔的平面切割近似后的模型,以便提取截面的輪廓信息。間隔一般取0.05mm0.5mm,常用0.1mm。間隔越小,成型精度越高,但成型時(shí)間也越長(zhǎng),效率就越低,反之則精度低,但效率高。

  4)成型加工。根據(jù)切片處理的截面輪廓,在計(jì)算機(jī)控制下,相應(yīng)的成型頭(激光頭或噴頭)按各截面輪廓信息做掃描運(yùn)動(dòng),在工作臺(tái)上一層一層地堆積材料,然后將各層相粘結(jié),最終得到原型產(chǎn)品。

  5)成型零件的后處理。從成型系統(tǒng)里取出成型件,進(jìn)行打磨、拋光、涂掛,或放在高溫爐中進(jìn)行后燒結(jié),進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。快速成型特術(shù)具有以下幾個(gè)重要特征:

  l)可以制造任意復(fù)雜的三維幾何實(shí)體。由于采用離散/堆積成型的原理.它將一個(gè)十分復(fù)雜的三維制造過(guò)程簡(jiǎn)化為二維過(guò)程的疊加,可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意復(fù)雜形狀零件的加工。越是復(fù)雜的零件越能顯示出RP技術(shù)的優(yōu)越性此外,RP技術(shù)特別適合于復(fù)雜型腔、復(fù)雜型面等傳統(tǒng)方法難以制造甚至無(wú)法制造的零件。

  2)快速性。通過(guò)對(duì)一個(gè)CAD模型的修改或重組就可獲得一個(gè)新零件的設(shè)計(jì)和加工信息。從幾個(gè)小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí)就可制造出零件,具有快速制造的突出特點(diǎn)。

  3)高度柔性。無(wú)需任何專(zhuān)用夾具或工具即可完成復(fù)雜的制造過(guò)程,快速制造工模具、原型或零件

  4)快速成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械工程學(xué)科多年來(lái)追求的兩大先進(jìn)目標(biāo).即材料的提取(氣、液固相)過(guò)程與制造過(guò)程一體化和設(shè)計(jì)(CAD)與制造(CAM)一體化

  5)與反求工程(ReverseEngineering)、CAD技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等相結(jié)合,成為產(chǎn)品決速開(kāi)發(fā)的有力工具。

  因此,快速成型技術(shù)在制造領(lǐng)域中起著越來(lái)越重要的作用,并將對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生重要影響。快速成型技術(shù)的分類(lèi):

  快速成型技術(shù)根據(jù)成型方法可分為兩類(lèi):基于激光及其他光源的成型技術(shù)(LaserTechnology),例如:光固化成型(SLA)、分層實(shí)體制造(LOM)、選域激光粉末燒結(jié)(SLS)、形狀沉積成型(SDM)等;基于噴射的成型技術(shù)(JettingTechnoloy),例如:熔融沉積成型(FDM)、三維印刷(3DP)、多相噴射沉積(MJD)。下面對(duì)其中比較成熟的工藝作簡(jiǎn)單的介紹。

  1、SLA(StereolithogrphyApparatus)工藝SLA工藝也稱(chēng)光造型或立體光刻,由CharlesHul于1984年獲美國(guó)專(zhuān)利。1988年美國(guó)3DSystem推出商品化樣機(jī)SLA-I,這是世界上第一臺(tái)快速成型機(jī)。SLA各型成型機(jī)機(jī)占據(jù)著RP設(shè)備市場(chǎng)的較大份額。SLA技術(shù)是基于液態(tài)光敏樹(shù)脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長(zhǎng)和強(qiáng)度的紫外光照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng),分子量急劇增大,材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。SLA工作原理:液槽中盛滿液態(tài)光固化樹(shù)脂激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下,能在液態(tài)表而上掃描,掃描的軌跡及光線的有無(wú)均由計(jì)算機(jī)控制,光點(diǎn)打到的地方,液體就固化。成型開(kāi)始時(shí),工作平臺(tái)在液面下一個(gè)確定的深度.聚焦后的光斑在液面上按計(jì)算機(jī)的指令逐點(diǎn)掃描,即逐點(diǎn)固化。當(dāng)一層掃描完成后.未被照射的地方仍是液態(tài)樹(shù)脂。然后升降臺(tái)帶動(dòng)平臺(tái)下降一層高度,已成型的層面上又布滿一層樹(shù)脂,刮板將粘度較大的樹(shù)脂液面刮平,然后再進(jìn)行下一層的掃描,新周化的一層牢周地粘在前一層上,如此重復(fù)直到整個(gè)零件制造完畢,得到一個(gè)三維實(shí)體模型。SLA方法是目前快速成型技術(shù)領(lǐng)域中研究得最多的方法.也是技術(shù)上最為成熟的方法。SLA工藝成型的零件精度較高,加工精度一般可達(dá)到0.1mm,原材料利用率近100%。但這種方法也有白身的局限性,比如需要支撐、樹(shù)脂收縮導(dǎo)致精度下降、光固化樹(shù)脂有一定的毒性等。

  2、LOM(LaminatedObjectManufacturing,LOM)工藝LOM工藝稱(chēng)疊層實(shí)體制造或分層實(shí)體制造,由美國(guó)Helisys的MichaelFeygin于1986年研制成功。LOM工藝采用薄片材料,如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。加工時(shí),熱壓輥熱壓片材,使之與下面已成型的工件粘接。用CO2激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框,并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對(duì)齊的網(wǎng)格。激光切割完成后,工作臺(tái)帶動(dòng)已成型的工件下降,與帶狀片材分離。供料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)收料軸和供料軸,帶動(dòng)料帶移動(dòng),使新層移到加工區(qū)域。工作合上升到加工平面,熱壓輥熱壓,工件的層數(shù)增加一層,高度增加一個(gè)料厚。再在新層上切割截面輪廓。如此反復(fù)直至零件的所有截面粘接、切割完。最后,去除切碎的多余部分,得到分層制造的實(shí)體零件。LOM工藝只需在片材上切割出零件截面的輪廓,而不用掃描整個(gè)截面。因此成型厚壁零件的速度較快,易于制造大型零件。工藝過(guò)程中不存在材料相變,因此不易引起翹曲變形。工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用,所以LOM工藝無(wú)需加支撐。缺點(diǎn)是材料浪費(fèi)嚴(yán)重,表面質(zhì)量差。

  3、SLS(SelectiveLaserSintering)工藝SLS工藝稱(chēng)為選域激光燒結(jié),由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。SLS工藝是利用粉末狀材料成型的。將材料粉末鋪灑在已成型零件的上表面,并刮平,用高強(qiáng)度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面,材料粉末在高強(qiáng)度的激光照射下被燒結(jié)在一起,得到零件的截面,并與下面已成型的部分連接。當(dāng)一層截面燒結(jié)完后,鋪上新的一層材料粉末,有選擇地?zé)Y(jié)下層截面。燒結(jié)完成后去掉多余的粉末,再進(jìn)行打磨、烘干等處理得到零件。SLS工藝的特點(diǎn)是材料適應(yīng)面廣,不僅能制造塑料零件,還能制造陶瓷、蠟等材料的零件,特別是可以制造金屬零件。這使SLS工藝頗具吸引力。SLS工藝無(wú)需加支撐,因?yàn)闆](méi)有燒結(jié)的粉末起到了支撐的作用。

  4、3DP(ThreeDimensionPrinting)工藝三維印刷工藝是美國(guó)麻省理工學(xué)院E-manualSachs等人研制的。已被美國(guó)的Soligen以DSPC(DirectShellProductionCasting)名義商品化,用以制造鑄造用的陶瓷殼體和型芯。3DP工藝與SLS工藝類(lèi)似,采用粉末材料成型,如陶瓷粉末、金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過(guò)燒結(jié)連結(jié)起來(lái)的,而是通過(guò)噴頭用粘結(jié)劑(如硅膠)將零件的截面“印刷”在材料粉來(lái)上面。用粘結(jié)劑粘接的零件強(qiáng)度較低,還須后處理。先燒掉粘結(jié)劑,然后在高溫下滲人金屬,使零件致密化,提高強(qiáng)度。

  5.FDM(FusedDepostionModeling)工藝熔融沉積制造(FDM)工藝由美國(guó)學(xué)者ScottCrump于1988年研制成功。FDM的材料一般是熱塑性材料,如蠟、ABS、尼龍等。以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng),同時(shí)將熔化的材料擠出,材料迅速凝固,并與周?chē)牟牧夏Y(jié)。FDM技術(shù)是由Stratasys所設(shè)計(jì)與制造,可應(yīng)用于一系列的系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)為FDMMaxum,F(xiàn)DMTitan,ProdigyPlus以及Dimension。FDM技術(shù)利用ABS,polycarbonate(PC),polyphenylsulfone(PPSF)以及其它材料。這些熱塑性材料受到擠壓成為半熔融狀態(tài)的細(xì)絲,由沉積在層層堆棧基礎(chǔ)上的方式,從3DCAD資料直接建構(gòu)原型。該技術(shù)通常應(yīng)用于塑型,裝配,功能性測(cè)試以及概念設(shè)計(jì)。此外,F(xiàn)DM技術(shù)可以應(yīng)用于打樣與快速制造。

  其它材料:FDM技術(shù)還有其它的專(zhuān)用材料。這些包含polyphenylsulfone、橡膠材質(zhì)以及蠟材。橡膠材質(zhì)是用來(lái)作類(lèi)似橡膠特性的功能性原型。蠟材是特別設(shè)計(jì)來(lái)建立脫蠟鑄造的樣品。蠟材的屬性讓FDM的樣品可以用來(lái)類(lèi)似鑄造廠中的傳統(tǒng)蠟?zāi)!olyphenylsulfone,一種應(yīng)用于Titan機(jī)型的新工程材料,提供高耐熱性與抗化學(xué)性以及強(qiáng)度與硬度,其耐熱度為攝氏207.2度。

  Stratasys宣布已經(jīng)針對(duì)FDM快速原型系統(tǒng)Titan發(fā)表PPSF材料。在各種快速原型材料之中,PPSF(或是稱(chēng)為polyphenylsulfone)有著最高的強(qiáng)韌性、耐熱性、以及抗化學(xué)性。航天工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)以及醫(yī)療產(chǎn)品業(yè)的制造商是第一批期待使用這種PPSF材料的用戶。航天業(yè)將會(huì)喜歡該材料的難燃屬性;汽車(chē)制造業(yè)也非常想應(yīng)用其抗化學(xué)性以及在400度以上還能持續(xù)運(yùn)作的能力;而醫(yī)療產(chǎn)品制造商將對(duì)PPSF材質(zhì)的原型可以進(jìn)行消毒的能力感到興趣。測(cè)試單位,ParkerHannifin安裝了一個(gè)PPSF作的模型到汽車(chē)引擎中。該零件是一個(gè)名為crankcasevaporcoalescer的過(guò)濾器,裝在一組V8引擎并作40小時(shí)的測(cè)試以決定過(guò)濾器媒介的效能。該零件收集的燃?xì)獍?60度的潤(rùn)滑油,燃料,油煙,以及其它燃燒的化學(xué)反應(yīng)生成物。ParkerHannifin的RussJensen說(shuō),“該裝配件并沒(méi)有產(chǎn)生外漏,并且其展現(xiàn)出與第一次裝配時(shí)相同的強(qiáng)度與屬性。我們相當(dāng)滿意它的表現(xiàn)。”測(cè)試單位,MSOE(MilwaukeeSchoolofEngineering)的操作ShekuKamara,同樣地很滿意該新材料。“當(dāng)在玻璃熔融的450度時(shí),在各種快速原型材料之中,PPSF材料還擁有著除了金屬之外最高的操作溫度以及堅(jiān)硬度,”他說(shuō)。“在粘著劑測(cè)試期間,PPSF原型零件遭受于溫度從14度到392度的考驗(yàn)且依然保持完整。”

  顏色包含最常用到的白色,ABS提供六種材料顏色。色彩的選項(xiàng)包含藍(lán)色,黃色,紅色,綠色與黑色。醫(yī)學(xué)等級(jí)的ABSi提供針對(duì)于半透明的應(yīng)用,例如汽車(chē)車(chē)燈的透明紅色或是黃色。

  屬性穩(wěn)定度不像SLA以及PolyJet的樹(shù)脂,F(xiàn)DM材料的材料屬性不會(huì)隨著時(shí)間與環(huán)境曝曬而改變。就像是注塑成型的副本,這些材料幾乎在任何環(huán)境下都會(huì)保持他們的強(qiáng)度,硬度以及色彩。

  精準(zhǔn)性快速原型的尺寸精度取決于許多因素,而其結(jié)果可能會(huì)因?yàn)槊總€(gè)工件或是不同日期而有些微小變化。需要考慮的事情必須包含已知的條件,例如量測(cè)的時(shí)間范圍,工件的拚約盎肪車(chē)鈉厴埂axum,Titan以及ProdigyPlus精準(zhǔn)度資料詳見(jiàn)附表一。精度測(cè)試工件如圖5、6所示,在每一臺(tái)機(jī)器中均用層厚0.18mm所建構(gòu)以形成目前的精準(zhǔn)性資料。

  MAXUMTITANPRODIGY

  理論尺寸實(shí)際尺寸百分比理論尺寸百分比理論尺寸百分比

  A76.276.20.0076.20.0076.10.17

  B25.425.50.3025.50.4025.60.60

  C152.4152.40.00152.30.08152.40.00

  D2.542.511.002.540.002.540.00

  E76.276.150.0776.070.1776.120.10

  F101.6101.570.02101.420.18101.500.10

  G25.425.480.3025.500.4025.550.60

  H112.712.620.6012.650.4012.551.20H212.712.620.6012.670.2012.551.20

  I12.712.670.2012.70.0012.620.60

  J6.356.431.206.553.056.482.00

  K12.712.670.2012.780.6012.780.60

  Maxum、Titan以及ProdigyPlus的尺寸精度資料。所有的測(cè)試零件均用層厚0.18mm所建構(gòu)。(單位:mm)

  工件建構(gòu)一般而言,F(xiàn)DM技術(shù)所提供的準(zhǔn)確性通常相等或是優(yōu)于SLA技術(shù)以及PolyJet技術(shù),且確定優(yōu)于SLS技術(shù)。然而,由于精準(zhǔn)性是取決于許多的因素,所以矛盾的結(jié)果便會(huì)發(fā)生在個(gè)別的原型上。FDM技術(shù)的精準(zhǔn)性受到較少的變量影響。用SLA,SLS以及PolyJet技術(shù),尺寸精準(zhǔn)性會(huì)受影響的因素有機(jī)器的校正,操作的技巧,工件的成型方向與位置,材料的年限以及收縮率。

  Z軸這并非一定都會(huì)這樣,Z軸可能是被證明準(zhǔn)確性最小的。除了先前所討論的變化之外,原型的高度可能由于層厚整數(shù)誤差而改變。對(duì)所有的RP系統(tǒng)而言都是這樣的。任何特征的表面頂端或是底端無(wú)法對(duì)齊成為一層時(shí),在軟件中的切層算法會(huì)將尺寸整數(shù)化到最接近的層厚數(shù)。在最壞的情形下,一端的表面往下整數(shù)化而另一端向上,高度可能偏離一個(gè)層厚。對(duì)于典型的FDM參數(shù),這可能會(huì)產(chǎn)生的誤差至少為0.127mm。

  穩(wěn)定性尺寸的穩(wěn)定性是FDM原型的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì),如同SLS技術(shù),時(shí)間與環(huán)境的曝曬都不會(huì)改變工件的尺寸或其他的特征。一但原型從FDM系統(tǒng)分離,當(dāng)它達(dá)到室內(nèi)溫度后,尺寸是固定不變的。如果溫度度數(shù)變化,用SLA或是PolyJet技術(shù)則不是這樣的情形。

  后處理輸出許多RP件都需要手工完成工件的光滑性。例如,SLA需要從工件表面手動(dòng)移除支撐結(jié)構(gòu),且工件表面需要一些手工打磨。這表示工件的精準(zhǔn)性不再只是受到系統(tǒng)精度的作用。它現(xiàn)在是受到后處理技師的技術(shù)等級(jí)所控制。對(duì)于塑型,裝配以及功能性原型,多數(shù)的使用者發(fā)現(xiàn)FDM工件的表面精度是可以接受的。那么,當(dāng)結(jié)合了水溶性支撐以及易剝離支撐,表示FDM原型的精準(zhǔn)性不會(huì)受到手工的改變。當(dāng)然,如果需要翻硅膠模用或是噴漆用的表面精度,F(xiàn)DM工件將需要后處理,如同其它的技術(shù)一樣。既然這樣,工件后處理技師的技藝在可以做到的原型精度上扮演了一個(gè)關(guān)鍵的角色。

  表面完工精度受到使用者與Stratasys雙方的公認(rèn),F(xiàn)DM技術(shù)最明顯的限制就是表面完工精度。由于是半熔融狀態(tài)塑料擠制成型,表面完工精度比SLA與PolyJet還要粗糙,而與SLS不相上下。當(dāng)由較小的線材寬度與較薄的層厚來(lái)改進(jìn)表面完工精度時(shí),仍然可以在頂端,底面,以及側(cè)墻看出經(jīng)過(guò)擠壓噴嘴的等高線輪廓與建構(gòu)層厚。表2所列的為Maxum與Titan的表面完工精度。為了改善表面完工精度,Maxum與Titan現(xiàn)在都提供0.127mm層厚。使用者發(fā)現(xiàn)工件的成型方向,可以滿足考慮表面完工精度需求。這些要求較高完工精度的表面通常以垂直方向成型。較不重要的表面通常以水平方向成型,就像是底端或是頂端的表面。如同其它技術(shù),二次加工(后處理輸出)可以用來(lái)使之相同。然而,ABS與polycarbonate材料的硬度讓打磨耗費(fèi)人力。使用者通常使用溶劑或用是粘結(jié)劑完成或是預(yù)備用打磨。商業(yè)上可用的這些介質(zhì)包含有熔接,ABS快干膠,Acetone以及two-partepoxies。要符合足夠的精度,F(xiàn)DM技術(shù)與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品都可以提供翻硅膠模用或是噴漆用的表面。這關(guān)鍵的差異是要花費(fèi)多少時(shí)間才能達(dá)到要求的結(jié)果。

  特征定義:盡管高階的FDM系統(tǒng)可以較小的特征,大多數(shù)FDM原型的最小特征尺寸受限于兩倍線材寬度。沒(méi)有使用者的介入,F(xiàn)DM技術(shù)使用的”closedpath”選項(xiàng)會(huì)限制最小特征尺寸為兩倍擠壓成型噴組的寬度。對(duì)于一般噴嘴與建造參數(shù)而言,最小特征尺寸范圍從0.4到0.6mm。盡管大于SLA與PolyJet的最小特征尺寸,但是該范圍是與這些技術(shù)的可用最小特征尺寸相同。盡管SLA技術(shù)可以建造小到0.08(Vipersi2機(jī)種)或0.25mm(所有機(jī)種),以及PolyJet技術(shù)可以建造小到0.04mm,幾乎很少原型會(huì)用到這些極小值的優(yōu)勢(shì)來(lái)作最小的細(xì)節(jié)。考慮到材料屬性,通常發(fā)現(xiàn)SLA技術(shù)與PolyJet技術(shù)的原型常用最小特征尺寸為0.5mm。FDM技術(shù)的最小特征尺寸相等于或是優(yōu)于SLS技術(shù)的0.6到0.8mm。由于材料屬性相似于注塑成型的ABS或是polycarbonate,F(xiàn)DM技術(shù)可以給予功能性特征尺寸在0.4到0.6mm范圍中。

  環(huán)境抵抗力:FDM原型提供的材料性質(zhì)相似于熱塑性材料。這包含了環(huán)境的與化學(xué)的曝曬。對(duì)ABS材料而言,使用者可以實(shí)驗(yàn)他們的原型在93度的溫度下以及包含石油,汽油以及甚至某些酸類(lèi)等的化學(xué)媒介。一關(guān)鍵的考慮為水氣的曝曬,包括浸沒(méi)與濕氣。SLA技術(shù)與PolyJet技術(shù)使用的光敏樹(shù)脂對(duì)于潮濕水氣敏感且會(huì)受到傷害。暴曬在水中或是濕氣中不只會(huì)影響原型的機(jī)械屬性,也會(huì)影響尺寸精度。當(dāng)光敏樹(shù)脂的原型吸收了水氣之后,他們將會(huì)開(kāi)始軟化并且變的有點(diǎn)易于彎曲。而且,工件會(huì)有翹曲或是膨脹的傾向,這會(huì)嚴(yán)重影響尺寸的精度。FDM技術(shù)的原型,以及SLS技術(shù)的原型,都不受濕氣影響,所以他們可以保持原有的機(jī)械屬性以及尺寸精度。

  機(jī)械加工:FDM原型可以進(jìn)行銑床加工,鉆孔,研磨,車(chē)床加工等。為了補(bǔ)償表面精度不足并加強(qiáng)特征細(xì)節(jié),當(dāng)有特殊的品質(zhì)需求時(shí),使用者通常會(huì)進(jìn)行二次加工來(lái)提升原型的細(xì)節(jié)。在考慮原型的物理屬性之后,注意力應(yīng)該轉(zhuǎn)移至操作的參數(shù)上。下列領(lǐng)域可以影響到原型在預(yù)期應(yīng)用上的使用。

  工件尺寸:不像某些快速原型技術(shù),廣告中FDM技術(shù)的建造范圍就是最大的工件尺寸。在家族系列產(chǎn)品中,F(xiàn)DM技術(shù)提供了廣泛的建造范圍。Maxum,最超大型,所提供的工件尺寸可達(dá)600x500x600mm。這樣的建造范圍與最大型的SLA系統(tǒng)相同。Titan,則提供最大的工件尺寸為406x355x406mm。這樣的建造范圍稍微大于SLSSinterstations系統(tǒng)。ProdigyPlus,辦公室桌上型,擁有的建造范圍為203x203x305mm,該尺寸稍微大于PolyJet系統(tǒng)以及最小型的SLA系統(tǒng)。當(dāng)使用具競(jìng)爭(zhēng)性的技術(shù)時(shí),快速原型超過(guò)建造范圍的部分通常分段建構(gòu)然后作粘結(jié)。使用商業(yè)上可用ABS快干膠,F(xiàn)DM工件的粘和強(qiáng)度可以滿足功能性測(cè)試的應(yīng)用。此外,F(xiàn)DM工件可以使用超音波熔接,這種選項(xiàng)無(wú)法使用在SLA以及PolyJet,因?yàn)樗麄儾皇鞘褂脽崴苄圆牧稀?/p>

  支撐結(jié)構(gòu):在FDM技術(shù)中,需要支撐結(jié)構(gòu)來(lái)形成基底以制作工件并支撐任何超過(guò)懸掛的特征。在工件的接口,支撐材料的堅(jiān)固堆層已經(jīng)放下。在這堅(jiān)固堆層下,線材為0.5mm且在間隔為3.8mm下沉積。FDM技術(shù)提供兩種類(lèi)型的支撐易于剝離支撐結(jié)構(gòu)(BASS)以及水溶性支撐結(jié)構(gòu)(WaterWorks)。BASS支撐是由手工將支撐從工件表面剝離以移除。當(dāng)他們不想損壞工件表面,考慮的是必須要容易進(jìn)入與接近細(xì)小特征。水溶性支撐(WaterWorks)是使用水溶性材料,可分解于堿性水溶劑的解決方案。不像是易于剝離支撐(BASS),該支撐可以任意坐落于工件深處地嵌壁式的區(qū)域,或是接觸于細(xì)小特征,因?yàn)闄C(jī)械式的移除方式是可以不加考慮的。此外,水溶性支撐可以保護(hù)細(xì)小特征。在其它的快速原型技術(shù)中,他們要如何移除支撐而不造成特征損壞,是一項(xiàng)極大挑戰(zhàn)。

  一體成型的裝配件隨著水溶性支撐的出現(xiàn),F(xiàn)DM技術(shù)提供了一項(xiàng)獨(dú)特的解決方案建構(gòu)可運(yùn)轉(zhuǎn)的一體成型裝配件。因?yàn)樗苄灾慰梢赃M(jìn)行分解,一個(gè)多件的裝配件可以在一次機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)中建構(gòu)完成。當(dāng)多件的裝配件可以在SLS或是PolyJet中實(shí)行時(shí),要小心地考慮到殘留在原件之間的材料。舉例來(lái)說(shuō),如圖3所示的FDM技術(shù)的腦型齒輪組,可以不用手工勞動(dòng)就能完成并用一些時(shí)間就能將水溶性支撐進(jìn)行分解。用SLS技術(shù)制作這樣相同的工件,可能需要一個(gè)小時(shí)以上的手工勞動(dòng)來(lái)清除齒輪與軸柄之件的粉末。有了水溶性支撐,整個(gè)裝配件的CAD資料可以當(dāng)作一個(gè)工件處理。同樣地,也不需要手工勞動(dòng)或是時(shí)間進(jìn)行工件的裝配。

  快速成型設(shè)備最好能放置于電腦設(shè)計(jì)室內(nèi)以便于工作,要求設(shè)備無(wú)煙塵、無(wú)震動(dòng)和噪音并且材料安全無(wú)毒。而光敏樹(shù)脂(SLA)液態(tài)原材料有毒,需特別小心處理,并且需配置抽風(fēng)系統(tǒng),以抽除建模過(guò)程中產(chǎn)生之毒煙;而粉末材料(SLS)需配備抽風(fēng)系統(tǒng)、吸塵設(shè)備、防塵箱及氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng);紙張(LOM)也需要配置抽風(fēng)系統(tǒng)以抽除建模過(guò)程中產(chǎn)生之煙霧;只有美國(guó)Stratasys的FDM快速成型機(jī)只需要在一般辦公室環(huán)境下操作。許多FDM技術(shù)的使用者把該技術(shù)當(dāng)作設(shè)計(jì)的周邊。就本身而言,為了在制程早期就能審核與確認(rèn)設(shè)計(jì)概念,該技術(shù)已經(jīng)變得另一種與CAD系統(tǒng)連結(jié)并驅(qū)動(dòng)的工具。由于這樣的應(yīng)用,F(xiàn)DM技術(shù)都是作為概念模型工具以清楚地傳達(dá)日益精致與復(fù)雜的設(shè)計(jì)。當(dāng)FDM技術(shù)無(wú)法從概念模型中提供預(yù)期的速度,它提供了結(jié)合概念模型與視覺(jué)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。這些強(qiáng)處包含精準(zhǔn)性,材料屬性,色彩以及免用手動(dòng)工件后處理。盡管材料強(qiáng)度與硬度并非概念模型的關(guān)鍵,但是它通常值得關(guān)注,因?yàn)榇嗳醯哪P屯ǔT谧畈贿m當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)破裂。FDM技術(shù)的模型也應(yīng)用于與行銷(xiāo),包含內(nèi)部與外部。對(duì)內(nèi),F(xiàn)DM技術(shù)的原型是用來(lái)給團(tuán)隊(duì),管理階層以及其它員工在開(kāi)始制造之前看一眼產(chǎn)品長(zhǎng)相。對(duì)外,原型是用來(lái)在產(chǎn)品作商品化之前引起預(yù)期客戶的興奮與興趣。

  塑型,裝配以及功能性模型:對(duì)許多技術(shù)而言,快速原型的應(yīng)用在塑型,裝配以及功能性分析方面時(shí)需要作某些方面的犧牲。盡管SLA技術(shù)與PolyJet技術(shù)提供較好的細(xì)節(jié),精準(zhǔn)度與表面加工精度,但是他們無(wú)法提供必要的強(qiáng)度與硬度。同樣地,SLS技術(shù)提供強(qiáng)度而犧牲精準(zhǔn)性與細(xì)節(jié)。

  修整樣品:快速原型可以用來(lái)作為建立模具的樣品。不像其它快速原型技術(shù),F(xiàn)DM技術(shù)可以成功地用來(lái)制作樣品。然而,必須考慮表面加工精度與工件后處理到可以作為母模所需時(shí)間。脫蠟鑄造是樣品的額外用途,樣品必須能在他們自己所建立陶砂殼模之中燃燒消耗掉。FDM技術(shù)制程所建構(gòu)的蠟?zāi)EcABS模都被證實(shí)適合應(yīng)用在陶砂殼模之中燃燒消耗的標(biāo)準(zhǔn)鑄造流程。

  快速制造(少量多樣)快速原型激起對(duì)于短期制造的興趣,對(duì)于少到只有一個(gè)單位的都很合算。這樣的應(yīng)用需要工件在許多領(lǐng)域都符合功能性規(guī)格。在FDM技術(shù)的精準(zhǔn)性與材料屬性都是可用之際,它是少數(shù)致力于該應(yīng)用的技術(shù)之一。當(dāng)尚未經(jīng)過(guò)最后加工修飾的FDM工件可能受限使用于可視化,裝飾的應(yīng)用,但不受妨礙它去作為內(nèi)部組件,或是那些不需要藝術(shù)吸引力的用途。對(duì)于快速制造的應(yīng)用,運(yùn)行時(shí)間將會(huì)成為一項(xiàng)重要的考慮。然而,就像幾位使用者的證明,為數(shù)不多的工件運(yùn)行時(shí)間是明顯地少于模具與成品所需要的總時(shí)間。

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