FDM快速成型技术描述(2)

2019-08-31 21:21

尺寸的稳定性是FDM原型的关键优势,如同SLS技术,时间与环境的曝晒都不会改变工件的尺寸或其他的特征。一但原型从FDM系统分离,当它达到室内温度后,尺寸是固定不变的。如果温度度数变更,用SLA 或是PolyJet技术则不是这样的情形。

图7 大型工件的尺寸稳定

后处理输出

许多RP件都需要手工完成工件的光滑性。例如,SLA需要从工件表面手动移除支撑结构,且工件表面需要一些手工打磨。这表示工件的精准性不再只是受到系统精度的作用。它现在是受到后处理技师的技术等级所控制。 对于塑型,装配以及功能性原型,多数的使用者发现FDM工件的表面精度是可以接受的。那么,当结合了水溶性支撑以及易剥离支撑,表示FDM原型的精准性不会受到手工的改变。当然,如果需要翻硅胶模用或是喷漆用的表面精度,FDM工件将需要后处理,如同其它的技术一样。既然这样,工件后处理技师的技艺在可以做到的原型精度上扮演了一个关键的角色。

图8 模型可烤漆 图9 模型可以真空电镀

表面完工精度

受到使用者与Stratasys公司双方的公认,FDM技术最明显的限制就是表面完工精度。由于是半熔融状态塑料挤制成型,表面完工精度受到影响,与SLS不相上下。当由较小的线材宽度与较薄的层厚来改进表面完工精度时,仍然可以在顶端,底面,以及侧墙看出经过挤压喷嘴的等高线轮廓与建构层厚。表2所列的为Maxum与Titan的表面完工精度。为了改善表面完工精度,Maxum与Titan现在都提供0.127 mm层厚。

使用者发现工件的成型方向,可以满足考虑表面完工精度需求。这些要求较高完工精度的表面通常以垂直方向成型。较不重要的表面通常以水平方向成型,就像是底端或是顶端的表面。如同其它技术,二次加工(后处理输出)可以用来使之相同。而ABS与polycarbonate材料的硬度让打磨耗费人力(Stratasys公司提供免费打磨培训)。使用者通常使用溶剂或用是粘结剂完成或是预备用打磨。商业上可用的这些介质包含有熔接,ABS快干胶,Acetone 以及two-part epoxies。要符合足够的精度,FDM技术与竞争对手的产品都可以提供翻硅胶模用或是喷漆用的表面。这关键的差异是要花费多少时间才能达到要求的结果。

表2:Maxum和Titan的表面精度资料。所有的测试零件均用层厚0.18mm所建构。

特征定义

尽管高阶的FDM系统可以生产较小的特征,大多数FDM原型的最小特征尺寸受限于两倍线材宽度。没有使用者的介入,FDM技术使用的”closed path”选项会限制最小特征尺寸为两倍挤压成型喷组的宽度。对于一般喷嘴与建造参数而言,最小特征尺寸范围从0.4到 0.6 mm。尽管大于SLA与PolyJet的最小特征尺寸,但是该范围是与这些技术的可用最小特征尺寸相同。

尽管SLA技术可以建造小到0.08 (Viper si2机种)或0.25 mm (所有机种),以及PolyJet技术可以建造小到0.04mm,几乎很少原型会用到这些极小值的优势来作最小的细节。考虑到材料属性,通常发现SLA技术与PolyJet技术的原型常用最小特征尺寸为0.5mm。FDM技术的最小特征尺寸相等于或是优于SLS技术的0.6到 0.8 mm。由于材料属性相似于注塑成型的ABS或是polycarbonate,FDM技术可以给予功能性特征尺寸在0.4到 0.6 mm范围中。

环境抵抗力

FDM原型提供的材料性质相似于热塑性材料。这包含了环境的与化学的曝晒。对ABS材料而言,使用者可以实验他们的原型在93度的温度下以及包含石油,汽油以及甚至某些酸类等的化学媒介。一关键的考虑为水气的曝晒,包括浸没与湿气。SLA技术与PolyJet技术使用的光敏树脂对于潮湿水气敏感且会受到伤害。暴晒在水中或是湿气中不只会影响原型的机械属性,也会影响尺寸精度。当光敏树脂的原型吸收了水气之后,他们将会开始软化并且变的有点易于弯曲。而且,工件会有翘曲或是膨胀的倾向,这会严重影响尺寸的精度。FDM技术的原型,以及SLS技术的原型,都不受湿气影响,所以他们可以保持原有的机械属性以及尺寸精度。

机械加工

FDM原型可以进行铣床加工,钻孔,研磨,车床加工等。为了补偿表面精度不足并加强特征细节,当有特殊的品质需求时,使用者通常会进行二次加工来提升原型的细节。

图10 原型上可进行加工处理,如锁螺丝

操作上的考虑

在考虑原型的物理属性之后,注意力应该转移至操作的参数上。下列领域可以影响到原型在

预期应用上的使用。

工件尺寸

不像某些快速原型技术,广告中FDM技术的建造范围就是最大的工件尺寸。在家族系列产品中,FDM技术提供了广泛的建造范围。Maxum,最超大型,所提供的工件尺寸可达600 x 500 x 600 mm。这样的建造范围与最大型的SLA系统相同。Titan,则提供最大的工件尺寸为406 x 355 x 406 mm。这样的建造范围稍微大于SLS Sinterstations系统。ProdigyPlus,办公室桌上型,拥有的建造范围为203 x 203 x 305 mm,该尺寸稍微大于PolyJet系统以及最小型的SLA系统。当使用具竞争性的技术时,快速原型超过建造范围的部分通常分段建构然后作粘结。使用商业上可用ABS快干胶,FDM工件的粘和强度可以满足功能性测试的应用。此外,FDM工件可以使用超音波熔接,这种选项无法使用在SLA以及PolyJet,因为他们不是使用热塑性材料。

支撑结构

在FDM技术中,需要支撑结构来形成基底以制作工件并支撑任何超过悬挂的特征。在工件的接口,支撑材料的坚固堆层已经放下。在这坚固堆层下,线材为0.5mm且在间隔为3.8mm下沉积。FDM技术提供两种类型的支撑--易于剥离支撑结构(BASS)以及水溶性支撑结构(WaterWorks)。BASS支撑是由手工将支撑从工件表面剥离以移除。当他们不想损坏工件表面,考虑的是必须要容易进入与接近细小特征。

水溶性支撑(WaterWorks)是使用水溶性材料,可分解于碱性水溶剂的解决方案。不像是易于剥离支撑(BASS),该支撑可以任意坐落于工件深处地嵌壁式的区域,或是接触于细小特征,因为机械式的移除方式是可以不加考虑的。此外,水溶性支撑可以保护细小特征。在其它的快速原型技术中,他们要如何移除支撑而不造成特征损坏,是一项极大挑战。

一体成型的装配件

随着水溶性支撑的出现,FDM技术提供了一项独特的解决方案--建构可运转的一体成型装配件。因为水溶性支撑可以进行分解,一个多件的装配件可以在一次机械运转中建构完成。当多件的装配件可以在SLS或是PolyJet中实行时,要小心地考虑到残留在原件之间的材料。举例来说,如图3所示的FDM技术的脑型齿轮组,可以不用手工劳动就能完成并用一些时间就能将水溶性支撑进行分解。用SLS技术制作这样相同的工件,可能需要一个小时

以上的手工劳动来清除齿轮与轴柄之件的粉末。有了水溶性支撑,整个装配件的CAD资料可以当作一个工件处理。同样地,也不需要手工劳动或是时间进行工件的装配。

图11 脑型齿轮利用水溶性支撑以一体成型的方式建构而不用考虑手动移除支撑

运行时间

运行时间在FDM技术制程中明显地取决于不同的因素。这样提供所有工件在所有的制作时间比较表是不可能的。然而,一般来说,FDM技术的运行时间比起SLA技术与SLS技术是需要略久一些的时间,而跟PolyJet技术比较起来则相似。表3表示运行时间的是针对于图1所作的精准性测试工件进行纪录。所有工件采用0.25 mm层厚所建构。

表3表示运行时间

FDM技术的运行时间是由工件的材料容积以及支撑结构来定义。不像SLA,SLS 或是 PolyJet,Z轴高度都不影响时间。工件的材料总额与材料沉积率都是决定FDM技术运行时间的重要因素。材料沉积率是喷嘴尺寸,线材宽度以及层厚的作用。较小的层厚与喷嘴将会增进特征细节与表面完工精度,而建造时间会增加。额外的考虑是FDM技术的运行时间不因材料不同而有变化。而对于SLA技术与SLS技术,运行时间是取决于材料种类并且会有20%以上的变化。为了减少运行时间,FDM系统提供了”稀疏填充”(轻量化技术)的选项。这种选项类型会建立实体状的周围与骨架状的内部。线材的间隔为3.8 mm且在每一层会交


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