叠加的魅力 3D打印之熔融沉积成型技术



商悦传媒   2019-04-27 02:07

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  【中关村在线办公打印频道原创】FDM(FusedDepositionModeling)中文全称为熔融沉积成型,是目前应用最为广泛的3D打印技术,该技术是美国Stratasys公司于上世纪八十年代末发明。1992年该公司推出世界上第一款基于FDM技术的3D打印机,标志着FDM技术步入商用阶段。2009年FDM关键技术专利到期,各种基于FDM技术的3D打印公司开始大量出现,行业迎来快速发展期。

  对于3D打印而言,材料是关键所在,FDM技术路径涉及的材料主要包括成型材料和支撑材料,根据技术特点,要求成型材料具有熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小等特点;支撑材料要求具有能够承受一定的高温、与成型材料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性要好等特点。

  FDM应用领域包括概念建模、功能性原型制作、制造加工、最终用途零件制造、修整等方面,涉及汽车、医疗、建筑、娱乐、电子等领域,随着技术的进步,FDM的应用还在不断拓展。

  FDM技术优点包括成本低、成型材料范围较广、环境污染较小、设备及材料体积较小、原料利用率高、后处理相对简单等;缺点包括成型时间较长、精度低、需要支撑材料等。

  与其他3D打印技术相比,FDM技术不涉及激光、高温、高压等危险环节,同时其体积也较小,是成本相对较低的3D打印技术,能够大量应用于家庭及办公室环境,随着关键技术专利的到期,FDM的各种应用领域还在不断拓展,前景值得期待。

  3D打印(3DPrinting)技术,是在计算机控制下,基于“增材制造”原理,立体逐层堆积离散材料,进行零件原型或最终产品的成型与制造的技术。该技术以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,将3D实体变为若干个2D平面,利用激光束、电子束、热熔喷嘴等方式将粉末、热塑性材料等特殊材料进行逐层堆积粘结,最终叠加成型,制造出实体产品。

  经过几十年的发展,目前已经开发出多种3D打印技术路径,从大类上划分为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型和其他成型几大类,基础成型主要代表技术路径为熔融沉积成型(FDM);粒状物成型技术路径主要包括电子束熔化成型(EBM)、选择性激光烧结(SLS)、三维打印(3DP)、选择性热烧结(SHS)等;光聚合成型主要包括光固化(SLA)、数字光处理(DLP)、聚合物喷射(PI);其他技术包括激光熔覆快速制造技术(LENS)、熔丝制造(FFF)、融化压模(MEM)、层压板制造(LOM)等。

  其中FDM、SLA、LOM、SLS、3DP为主流技术,熔融沉积成型FDM工艺一般是热塑性材料,以丝状形态供料。材料在喷头内被加热熔化,喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的材料挤出,材料迅速凝固,并与周围的材料凝结;光固化快速成形SLA,又称立体光刻、光成形等,是一种采用激光束逐点扫描液态光敏树脂使之固化的快速成型工艺;叠层实体制造LOM工艺是快速原型技术中具有代表性的技术之一,是基于激光切割薄片材料、由黏结剂黏结各层成形;选择性激光烧结SLS工艺,是采用红外激光作为热源来烧结粉末材料,并以逐层堆积方式成形三维零件的一种快速成形技术;3DP工艺与SLS工艺类似,采用粉末材料成形,如陶瓷粉末,金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的,而是通过喷头用粘接剂将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。

  熔融沉积成型(FDM,FusedDepositionModeling)是上世纪八十年代末,由美国Stratasys公司发明的技术,是即光固化快速成型(SLA)和叠层实体快速成型工艺(LOM)后的另一种应用比较广泛的3D打印技术路径。1992年,Stratasys公司推出了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机——“3D造型者(3DModeler)”,这也标志着FDM技术步入商用阶段。由于FDM工艺不需要激光系统支持,成型材料多为ABS、PLA等热塑性材料,因此性价比较高,是桌面级3D打印机广泛采用的技术路径。

  国内方面,对于FDM技术的研究最早包括清华大学、西安交大、华中科大等几所高效进行,其中,清华大学下属的企业于2000年推出了基于FDM技术的商用3D打印机,近年来也涌现出北京太尔时代、杭州先临三维等多家将3D打印机技术商业化的企业。

  2009年FDM关键技术专利过期,基于FDM的3D打印公司开始大量出现,行业也迎来了快速发展期,相关设备的成本和售价也大幅降低,数据显示,专利到期之后桌面级FDM打印机从超过1万美元下降至几百美元,销售数量也从几千台上升至几万台。

  FDM的工作原理是将丝状原料通过送丝部件送入热熔喷头,然后在喷头内被加热融化,在电脑控制下喷头沿着零件截面轮廓和填充轨迹运动,将半流动状态的材料送到指定位置并最终凝固,同时与周围材料粘结,选择性地逐层融化与覆盖,最终形成成品。

  一套完成的FDM制造系统包括硬件系统、软件系统,硬件系统主要指3D打印机本身,一台利用FDM技术的3D打印机包括工作平台、送丝装置、加热喷头、储丝设备和控制设备五大部分组成。

  材料是3D打印技术的关键所在,对于FDM来说也不例外,FDM系统的材料主要包括成型材料和支撑材料,成型材料主要为热塑性材料,包括ABS、PLA、人造橡胶、石蜡等;支撑材料目前主要为水溶性材料。

  成型材料是利用FDM技术实现3D打印的载体,对其粘度、熔融温度、粘结性、收缩率等方面均有较高的要求,具体要求如下:

  材料的粘度低,流动性好,阻力就小,有助于材料顺利挤出。材料的流动性差,需要很大的送丝压力才能挤出,会增加喷头的启停响应时间,从而影响成型精度。

  熔融温度低可以使材料在较低温度下挤出,有利于提高喷头和整个机械系统的寿命,可以减少材料在挤出前后的温差,减少热应力,从而提高原型的精度。

  FDM工艺时基于分层制造的一种工艺,层与层之间往往是零件强度最薄弱的地方,粘结性好坏决定了零件成型以后的强度,粘结性过低,有时在成型过程中因热应力会造成层与层之间的开裂。

  由于挤出时,喷头内部需要保持一定的压力才能将材料顺利挤出,挤出后材料丝一般会发生一定程度的膨胀。如果材料收缩率对压力比较敏感,会造成喷头挤出的材料丝直径与喷嘴的名义直径相差太大,影响材料的成型精度,FDM成型材料的收缩率对温度太敏感,否则会产生零件翘曲、开裂。

  总结起来,FDM对成型材料的具体要求是熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小。根据上述特性,目前市场上主要的FDM成型材料包括ABS、PC、PP、PLA、合成橡胶等。

  ABS材料。ABS是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,为五大合成树脂之一,具有抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能优良,还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点,容易涂装、着色,还可以进行表面喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工,广泛应用于机械、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑等工业领域,是一种用途极广的热塑性工程塑料。

  作为一种用途广泛的合成树脂,ABS价格主要影响因素为国际原油价格,近期国际原油价格持续低迷,ABS价格也出现下跌,2015年以来ABS均价为12451元/吨,较2015年均价下跌14%,预计短期内ABS价格很难出现上涨,从历年的情况看,ABS均价在15000元/吨左右。

  PC材料。PC即聚碳酸酯,是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物,根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多种类型,具有高弹性系数、高冲击强度、使用温度范围广、高度透明性及自由染色性、成形收缩率低、尺寸安定性良好、耐疲劳性佳、耐候性佳、电气特性优、无味无臭对无害符合卫生安全等特点,可用于光盘、汽车、办公设备、箱体、包装、医药、照明、薄膜等多个领域。

  随着产能的不断扩增,PC价格近年来总体上呈下跌趋势,2015年以来,由于下游需求的回暖,PC均价为19250元/吨,较去年同期上涨8%左右,从近年来的情况看,2010年以来PC均价为19650元/吨。

  PP材料。PP即聚丙烯,是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂,其无毒、无味,密度小,强度、刚度、硬度耐热性均优于低压聚乙烯,可在100℃左右使用。具有良好的介电性能和高频绝缘性且不受湿度影响,但低温时变脆,不耐磨、易老化。适于制作一般机械零件、耐腐蚀零件和绝缘零件。常见的酸、碱等有机溶剂对它几乎不起作用,可用于食具。

  2015年以来,在国际原油价格持续低迷背景下,PP失去成本支撑,价格有所下滑,2015年以来均价为10196元/吨,较2014年均价下跌14%,统计显示,2006年以来PP均价为12120元/吨。

  PLA材料。PLA即聚乳酸,其热稳定性好,有好的抗溶剂性,可用多种方式进行加工,如挤压、纺丝、双轴拉伸,注射吹塑。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外,生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好,还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性,因此用途十分广泛,可用作包装材料、纤维和非织造物等,目前主要用于服装、工业和医疗卫生等领域。

  目前PLA均价在21000元/吨左右,其价格高于ABS、PC、PP等石化路径工程塑料,原因是聚乳酸原料来自于玉米等农作物生物发酵,成本相对较高,也因为如此,其环境友好程度较高。

  合成橡胶材料。为了区别于天然橡胶,统一将用化学方法人工合成的橡胶称为合成橡胶,能够有效弥补天然橡胶产量不足的问题,合成橡胶一般在性能上不如天然橡胶全面,但它具有高弹性、绝缘性、气密性、耐油、耐高温或低温等性能,因而广泛应用于工农业、国防、交通及日常生活中。

  支撑材料。顾名思义是在3D打印过程中对成型材料起到支撑作用的部分,在打印完成后,支撑材料需要进行剥离,因此也要求其具有一定的性能,目前采用的支撑材料一般为水溶性材料,即在水中能够溶解,方便剥离。具体特性要求如下表:

  对于具有很复杂的内腔、孔隙等原型,为了便于后处理,可通过支撑材料在某种液体里溶解而去支撑。由于现在FDM使用的成型材料一般是ABS工程塑料,该材料一般可以溶解在有机溶剂中,所以不能使用有机溶剂。目前,已开发出水溶性支撑材料。

  由于支撑材料的成型精度要求不高,为了提高机器的扫描速度,要求支撑材料具有很好的流动性,相对而言,对于粘性可以差一些。

  总结起来,FDM对支撑材料的具体要求是能够承受一定的高温、与成型材料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性要好等。

  根据国际3D打印巨头,同时也是FDM发明者的Stratasys公司资料显示,FDM应用领域包括概念建模、功能性原型制作、制造加工、最终用途零件制造、修整等方面,涉及汽车、医疗、建筑、娱乐、电子、教育等领域。

  建筑建模。计算机模拟在工程设计和建筑领域已经应用了很长一段时间。但是,建筑可视化的传统做法是使用木材或泡沫板制作建筑的等比例模型。这使得建筑师可以看到建筑在实际空间中如何矗立,以及是否存在任何可以改正的问题。而3D打印结合了计算机模拟的精确性和等比例模型的真实性,能够有效降低设计成本和开发时间,同时通过等比例的模型可以对建筑进行改良,增加安全性和合理性。

  工程学设计。正确的工程学设计对预防受伤以及加强工作效率必不可少。3D打印的模型允许在开发流程期间就对工程学性能进行精确地测试。通过3D打印技术,设计人员可以创作出逼真的模型,再现产品每个单独部件的物理特性。在多次测试周期期间可以对材料进行修改,从而实现在将产品全面投入生产前对其工程学方面进行优化。

  市场营销和设计。利用FDM技术构建的模型可以进行打磨、上漆、甚至镀铬,从而达到与新产品最终外观一致的目的。FDM使用生产级的热塑塑料,因此模型可以获得与最终产品一样的耐用性和使用感受。

  在产品设计初期,可以利用FDM技术快速获得产品原型,而通过FDM技术获得的原型本身具有耐高温、耐化学腐蚀等性能,能够通过原型进行各种性能测试,以改进最终的产品设计参数,大大缩短了产品从设计到生产的时间。

  由于FDM技术可以采用高性能的生产级别材料,可以在很短的时间内制造标准工具,并可进行小批量生产,通过小批量生产可以使用与最终产品相同的流程和材料来创建原型,并在等待最终模具从车间发往各地的同时,即可将新产品上市。

  FDM技术可制造业界最为耐用、稳定、可重复使用的部件。其精度可媲美注塑成形,且能使用多种热塑性材料,通过FDM技术,制造商可以抓住更多小批量制造、定制最终用途零件和工厂自动化的机会。

  丰田公司采用FDM工艺制作右侧镜支架和四个门把手的母模,通过快速模具技术制作产品而取代传统的CNC制模方式,使得2000Avalon车型的制造成本显著降低,右侧镜支架模具成本降低20万美元,四个门把手模具成本降低30万美元。FDM工艺已经为丰田公司在轿车制造方面节省了200万美元。

  Mizuno是世界上最大的综合性体育用品制造公司,公司计划开发一套新的高尔夫球杆,通常需要13个月的时间。FDM的应用大大缩短了这个过程,设计出的新高尔夫球头用FDM制作后,可以迅速地得到反馈意见并进行修改,大大加快了造型阶段的设计验证,一旦设计定型,FDM最后制造出的ABS原型就可以作为加工基准在CNC机床上进行钢制母模的加工。新的高尔夫球杆整个开发周期在7个月内就全部完成,缩短了40%的时间。目前,FDM快速原型技术已成为Mizuno美国公司在产品开发过程中起决定性作用的组成部分。

  福特公司常年需要部件的衬板,当部件从一厂到另一厂的运输过程中,衬板用于支撑、缓冲和防护。衬板的前表面根据部件的几何形状而改变。福特公司一年间要采用一系列的衬板,一般地,每种衬板改型要花费成千万美元和12周时间制作必需的模具。新衬板的注塑消失模被联合公司选作生产部后,部件的蜡靠模采用FDM制作,制作周期仅3天。其间,必须小心的检验蜡靠模的尺寸,测出模具收缩趋向。紧接着从铸造石蜡模翻出A2钢模,该处理过程将花费一周时间。模具接着车削外表面,划上修改线和水平线以便机械加工。该模具在模具后部设计成中空区,以减少用钢量,中空区填入化学粘结瓷。仅花5周时间和一半的原来成本,而且制作的模具至少可生产3万套衬板。采用FDM工艺后,福特汽车公司大大缩短了运输部件衬板的制作周期,并显著降低了制作成本。

  与其他3D打印技术路径相比,FDM具有成本低、原料广泛等优点,同样存在成型精度低、支撑材料难以剥离等特点,下面做简要分析。

  成本低。FDM技术不采用激光器,设备运营维护成本较低,而其成型材料也多为ABS、PC等产用工程塑料,成本同样较低,因此目前桌面级3D打印机多采用FDM技术路径。

  成型材料范围较广。通过上述分析我们知道,ABS、PLA、PC、PP等热塑性材料均可作为FDM路径的成型材料,这些都是常见的工程塑料,易于取得,且成本较低。

  环境污染较小。在整个过程中只涉及热塑材料的熔融和凝固,且在较为封闭的3D打印室内进行,且不涉及高温、高压,没有有毒有害物质排放,因此,环境友好程度较高。

  设备、材料体积较小。采用FDM路径的3D打印机设备体积较小,而耗材也是成卷的丝材,便于搬运,适合于办公室、家庭等环境。

  原料利用率高。没有使用或者使用过程中废弃的成型材料和支撑材料可以进行回收,加工再利用,能够有效提高原料的利用效率。

  后处理相对简单。目前采用的支撑材料多为水溶性材料,剥离较为简单,而其他技术路径后处理往往还需要进行固化处理,需要其他辅助设备,FDM则不需要。

  成型时间较长。由于喷头运动是机械运动,成型过程中速度受到一定的限制,因此一般成型时间较长,不适于制造大型部件。

  需要支撑材料。在成型过程中需要加入支撑材料,在打印完成后要进行剥离,对于一些复杂构件来说,剥离存在一定的困难。另外,随着技术的进步,一些采用3D打印厂家已经推出了不需要支撑材料的机型,该缺点正在被逐步克服。

  与SLA、LOM、SLS等成熟3D打印技术相比,FDM具有自己的特点,总体来说,FDM技术适合于对精度要求不高的桌面级3D打印机,易于推广,市场空间也较大。

  由于在加工过程中不涉及激光技术,整体设备体积较小,耗材获取较为容易,打印成本也相对较低,因此FDM技术路径是面向个人的3D打印机的首选技术,通过采用FDM技术的3D打印机,设计人员可以在很短的时间内设计并制作出产品原型,并通过实体对产品原型进行改进,与传统的计算机建模相比,能够真实的将实物展现在设计人员的面前。同时FDM技术也可以在各种文娱创意领域中广泛应用,能够满足人们对一些产品的个性化定务,随着人民生活水平的提高,这种需求将不断增加。同时由于FDM技术专利已经到期,其大面积推广已经不存在障碍,因此我们预计采用FDM技术路径的3D打印机,特别是桌面级3D打印机的市场空间将急剧增加。(数据来源:华融证券)