【正文】 型小型設(shè)備，面向工業(yè)應(yīng)用 的 MEM350 型設(shè)備以及基于光固化工藝的 AURO350型設(shè)備。此外，殷華公司近幾年推出了專門用于人體組織工程支架的快速成形設(shè)備Medtiss。該型設(shè)備以清華大學(xué)激光快速成形中心發(fā)明的低溫冷凍成形（ LDM）工藝為基 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 8 頁(yè) 共 36 頁(yè) 礎(chǔ)，最多可同時(shí)裝備 4 個(gè)噴頭。該設(shè)備成形材料廣泛，可成形 PLLA、 PLGA、 PU 等多種人體組織工程用高分子材料。成形的支架孔隙率高，貫通性好，在組織工程中有良好的應(yīng)用前景 [2]。 在 FDM 材料方面，熔絲線材料主要是 ABS、人造橡膠、鑄蠟和聚脂熱塑性塑料。 1998年澳大利亞的 Swinburne工業(yè)大學(xué) 研究了一種金屬 塑料復(fù)合材料絲。 1999年 Stratasys公司開發(fā)出水溶性支撐材料，有效地解決了復(fù)雜、小型孔中的支撐材料難除或無(wú)法去除的難題 [3]。從 2020 年至今， Stratasys 公司為擴(kuò)大 FDM 工藝在 RM 領(lǐng)域的應(yīng)用，先后推出 PC、 PC/ABS、 PPSF 等三種材料，使成形的零件可直接用作汽車儀表盤、電子產(chǎn)品外殼甚至塑料注塑模具等。根據(jù) Stratasys 技術(shù)報(bào)告提供的數(shù)據(jù)，采用 PPSF 材料制造的注塑模具可生產(chǎn) 150 件 POM 零件或者 201 件 PA 零件 [4]。此外，目前 Stratasys 公司推出的工程塑料 ABS 有六種標(biāo)準(zhǔn)顏色，包括：白、藍(lán)、黃、黑、紅、綠色，允許客戶定制。 新工藝、新材料和新方法的研究 丹麥科技大學(xué)（ Technical University of Denmark）的 Bellini Anna 開發(fā)了一種用于 FDM 設(shè)備的新型擠出系統(tǒng) [5]。該裝備將一個(gè)微型擠出器安裝在一個(gè)精確定位系統(tǒng)上，它能使直接使用顆粒狀原料，而代替?zhèn)鹘y(tǒng) FDM 工藝中的絲狀材料，從而使得 FDM 工藝可以使用更廣泛的特殊材料（如陶瓷等） ，提高 FDM 制件的性能，達(dá)到使用 FDM 工藝制造特殊原型和快速制造的目的。目前，該系統(tǒng)和 使用該系統(tǒng)的制件已經(jīng)制作出來(lái)，但是一些工藝參數(shù)（如顆粒度等）還需要進(jìn)一步優(yōu)化。西安交通大學(xué)將傳統(tǒng) FDM 工藝中材料擠出過(guò)程作了改進(jìn)，將被加熱到一定溫度的低粘性材料 (該材料可由不同相組成 ,如粉末 — 粘結(jié)劑的混合物 ) ,通過(guò)空氣壓縮機(jī)提供的壓力由噴頭擠出 ,其他均與傳統(tǒng) FDM 工藝相同，他們將這種工藝稱之為氣壓式熔融沉積快速成形 (AJS)[6]。他們的研究結(jié)論是：以氣壓作為擠壓動(dòng)力有效可行 ,系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)單 ,成形材料選擇范圍廣泛 ,可完成傳統(tǒng) FDM的快速設(shè)計(jì)任務(wù) ,還可完成制造人工生物活性骨的模型加工。 澳大利亞 Swinburne 科技大學(xué)（ Swinburne University of Technology）繼續(xù)了他們?cè)诮饘?/塑料復(fù)合材料上面的研究。 2020 年他們開發(fā)一種新的鐵 /尼龍的復(fù)合材料，該材料比其他用于快速制模的金屬 /塑料復(fù)合材料擁有更好的性能 [7]。 在 FDM 工藝的基礎(chǔ)上，蘇格蘭 Glagow Caledonian 大學(xué)（ Glagow Caledonian University）提出了一種新的成形方法 SALM（ Shell Assisted Layer Manufacturing） 。該方法的每一層制作分為兩步：首先用 FDM 工藝做作制件外殼，然后用 UV 光固化樹脂 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 9 頁(yè) 共 36 頁(yè) 填充外殼，重復(fù)制作直至完成。該方法有潛力來(lái)提高制件質(zhì)量、生產(chǎn)效率和工藝速度 [8]。 工藝實(shí)驗(yàn)方面的研究 馬來(lái)西亞科學(xué)大學(xué)（ University Sains Malaysia）的 Lee Taguchi method 來(lái)獲得使用 FDM 工藝制作 pliant ABS 原型時(shí)的最優(yōu)加工參數(shù)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論是： layer thickness， raster angle 和 air gap 對(duì) pliant ABS 原型的彈性性能有很重要的影響 [9]。 丹麥科技大學(xué)（ Technical University of Denmark）的 Bellini Anna 等人針對(duì) FDM的最新發(fā)展使得 FDM 工藝已經(jīng)用于直接快速制造零件，對(duì)擠出過(guò)程提出更高的要求的形式下，通過(guò)分析材料擠出階段的液化器動(dòng)力學(xué)（ Liquefier dynamics） ，提出了擠出過(guò)程的控制策略 [10]。 大連理工大學(xué)的郭東明教授、賈振元教授等人也進(jìn)行了 FDM 工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。他們使用一個(gè)包含 22 個(gè)尺寸、幾何精度及表面粗糙度特征的測(cè)試件，采用一個(gè)具有最少試驗(yàn)次數(shù)的正交試驗(yàn)得到 27 個(gè) FDM 原 型；通過(guò)使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x和表面粗糙度輪廓儀來(lái)測(cè)量原型件的各種特征，并使用 MATLAB 軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，據(jù)此結(jié)果來(lái)評(píng)估 FDM原型件的質(zhì)量；取并進(jìn)行了工藝參數(shù)的優(yōu)化。研究結(jié)果表明，工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置能大幅度改善原型件的質(zhì)量 [11]。 各應(yīng)用領(lǐng)域的研究 澳大利亞 Swinburne 大學(xué)的 Masood S. FDM 工藝直接噴射金屬制作注塑模嵌件。它首先用 FDM 工藝制作一個(gè)尼龍模型，然后在尼龍的外表面噴射一層鋅合金保護(hù)膜。目前，他們正在對(duì)這種新工藝，以及使用這種注塑模制作 出來(lái)的塑料件進(jìn)行研究 [12]。 荷蘭 TNO 國(guó)家應(yīng)用科學(xué)研究組織在 FDM 技術(shù)的基礎(chǔ)上，使用一直 semisolid metals（ EDSSM）來(lái)直接制作金屬件。他們還對(duì)這中合金材料的微觀組織及其在擠出和沉積過(guò)程中的流變力學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行了研究 [13]。得出了加工工藝參數(shù)與原型件質(zhì)量之間的關(guān)系，清華大學(xué)的顏永年教授等人利用噴射 /擠出沉積成形方法制作了骨模型和耳狀軟骨，并在狗和兔子上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn) [14]。顏永年教授還于 2020 年正式提出生物制造工程的概念 [15]，目前他們的研究工在國(guó)際上處于領(lǐng)先水平。 Srezelec Rebecca Varreck Andrew 2020 年年會(huì)報(bào)告中，就 FDM 技術(shù)在機(jī)電工程技術(shù)教育中的應(yīng)用、 FDM 的操作、優(yōu)點(diǎn)和局限性及 FDM 教學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 10 頁(yè) 共 36 頁(yè) 應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)行了討論 [18]。在他們的教學(xué)應(yīng)用項(xiàng)目中，在 Penn State Altoona 機(jī)電工程系的學(xué)生開設(shè) Senior Capstone Course，此外還專門開設(shè)了一門“ CAD for Artists”課程。值得注意的是，在他的報(bào)告中指出，美國(guó)賓州中南部的幾十名 11 到 13 歲的女中學(xué)生也使用 FDM 系統(tǒng)進(jìn)行她們的研究。她們?cè)谠O(shè)計(jì)了 用戶產(chǎn)品之后，使用 FDM 去制作原型，然后進(jìn)行討論。 FDM 系統(tǒng)組成 FDM 系統(tǒng)主要包括噴頭、送絲機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱成型室、工作臺(tái)五個(gè)部分。 （ 1）噴頭。噴頭是最復(fù)雜的部分。材料在噴頭中被加熱融化，噴頭底部有一噴嘴供熔融的材料以一定的壓力擠出，噴頭沿零件界面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)是擠出材料，與前一層粘結(jié)并在大氣中迅速固化。如此反復(fù)進(jìn)行即可得到實(shí)體零件。 （ 2）送絲機(jī)構(gòu)。送絲機(jī)構(gòu)為噴頭輸送原料，進(jìn)絲要求平穩(wěn)可靠。一般和噴頭采用推拉相結(jié)合的方式，以保證進(jìn)絲穩(wěn)定可靠，避免斷絲或積瘤。 （ 3）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。運(yùn) 動(dòng)機(jī)構(gòu)包括 X， Y,Z 三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。 XY 軸的聯(lián)動(dòng)完成噴頭對(duì)截面的平面掃描， Z 軸則帶動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)高度方向上的進(jìn)給。 （ 4）加熱成型室。加熱成型室用來(lái)給成型過(guò)程提供一個(gè)恒溫的環(huán)境。熔融狀態(tài)的絲擠出成型后如果驟然冷卻，容易造成翹曲和開裂，適當(dāng)?shù)沫h(huán)境溫度可最大限度的減小這種缺陷，以提高成型質(zhì)量和精度。 （ 5）工作臺(tái)。工作臺(tái)主要由臺(tái)面和泡沫墊板組成，每完成一層成型，工作臺(tái)便下降一層高度。 ． 7 FDM 成型特點(diǎn)： 1)標(biāo)準(zhǔn)的工程熱塑性塑料。如 ABS 可以用來(lái)生成帶有結(jié)構(gòu)功能的模型。 2)可以使用兩 種材料，可選柵格結(jié)構(gòu)充當(dāng)填空。 3)加熱后的熱塑性塑料細(xì)絲像擠牙膏一樣從噴嘴中擠出。 4)熱塑性塑料到達(dá)較低溫度的工作環(huán)境平面后迅速冷卻固化。 5)近年來(lái)發(fā)展迅速，廣受用戶青睞。 ． 8 FDM 的優(yōu)、缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍： FDM 快速原型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是： 制造系統(tǒng)可用于辦公環(huán)境，沒有毒氣或化學(xué)物質(zhì)的危險(xiǎn)。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 11 頁(yè) 共 36 頁(yè) 工藝干凈、簡(jiǎn)單、易于材作且不產(chǎn)生垃圾。 可快速構(gòu)建瓶狀或中空零件。 原材料以卷軸絲的形式提供 ，易于搬運(yùn)和快速更換。 原材料費(fèi)用低，一般零件均低于 20 美元。 可選用多種材料，如可染色的 ABS 和醫(yī)用 ABS、 PC、 PPSF 等。 缺點(diǎn)是： 成型精度相對(duì)國(guó)外先進(jìn)的 SLA 工藝較低，最高精度 成型表面光潔度不如國(guó)外先進(jìn)的 SLA 工藝； 成型速度相對(duì)較慢 適用范圍：這種工藝方法適合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念建模以及產(chǎn)品的功能測(cè)試。由于甲基丙烯酸 ABS（ MOBS）材料具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，可采用伽瑪射線消毒，特別適用于醫(yī)用。但成形精度相對(duì)較低，不適合于 制作結(jié)構(gòu)過(guò)分復(fù)雜的零件。 FDM 快速成型機(jī) 的總體設(shè)計(jì) 圖 5 FDM 快速成型系統(tǒng)原理圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 12 頁(yè) 共 36 頁(yè) FDM 快速成型機(jī) 的系統(tǒng)設(shè)計(jì) FDM 控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、送絲控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)及其機(jī)床開關(guān)量控制系統(tǒng) 5 部分組成。 1) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件 主要有單臺(tái)工業(yè) PC 機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制 卡、數(shù)模 /模數(shù)轉(zhuǎn)換卡、數(shù)字量輸入卡和數(shù)字量輸出卡組成。它使用單臺(tái)工業(yè) PC 機(jī)完成上層數(shù)據(jù)處理和下層設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能，使用接口 板卡作為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 與其他子執(zhí)行系統(tǒng)的接口。 2) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 采用步進(jìn)式開環(huán)運(yùn)動(dòng) 控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以 XY 步進(jìn)電機(jī)與鋼絲繩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、 Z 軸步進(jìn)電機(jī)和絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，控制模塊控 制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成 XY 的平面掃描和Z 軸的高度進(jìn)給。 Z 軸方向采用較小的運(yùn)動(dòng)速度，保證 Z 軸的精確進(jìn)給， XY 軸空運(yùn)行時(shí)使用較高速，噴絲工作時(shí)使用較低速，保證工作時(shí)間的降低和運(yùn)動(dòng)的精度 。 FDM 系統(tǒng)采用的是一種三軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡。該卡能實(shí)現(xiàn)精確的 XYZ 位置控制、精確的旋轉(zhuǎn)控制，主要用于機(jī)器人設(shè)備、裝配設(shè)備，以及其他使用步進(jìn)電機(jī)的地方。 3) 送 絲控制系統(tǒng) 送絲控制系統(tǒng)包括送絲 機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路。它控制送絲機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，從而將實(shí)體材料和支撐材料分別送入實(shí)體噴頭和支撐噴頭進(jìn)行加熱熔化，并通過(guò)擠壓力將材料從噴頭中擠出。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字量輸出卡和模數(shù) /數(shù)模轉(zhuǎn)換卡， 經(jīng)過(guò)送絲機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)送絲機(jī)構(gòu)的啟停、正反轉(zhuǎn)和調(diào)速控制。 4) 溫度控制系統(tǒng) 溫度控制系統(tǒng)是采用獨(dú) 立的閉環(huán)控制系統(tǒng)，由三組溫控器、可控硅及熱電耦組成。它實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)工作時(shí)，分別將實(shí)體噴頭、支撐噴頭和加熱工作室的溫度控制在設(shè)置的范 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 13 頁(yè) 共 36 頁(yè) 圍內(nèi)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字量輸出卡來(lái)控制 溫控器的啟停。 5) 機(jī)床開關(guān)量控制系統(tǒng) 機(jī)床開關(guān)量控制系統(tǒng)是對(duì)機(jī)床 一些必要的開關(guān)量，如強(qiáng)電開關(guān)量、加熱器開關(guān)量、調(diào)試開關(guān)量、上門開關(guān)量等，進(jìn)行的控制，以達(dá)到機(jī)床特定的輔助功能。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)帶光電隔離功能的數(shù)字量輸入卡和數(shù)字量輸出卡 來(lái)完成他們的控制。 FDM 快速成型機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) FDM 快速成型機(jī)主要有擠壓噴頭、工作平臺(tái)、送絲機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱工作室 5個(gè)部分組成，如下圖所示。 圖 6 FDM 快速成型機(jī)結(jié)構(gòu)圖 （字體重標(biāo)） 1) 擠壓噴頭 現(xiàn)在一般 都用雙噴頭獨(dú)立工作，一個(gè)主噴頭用來(lái)噴模型材料制作零件，另一個(gè) 副噴頭用來(lái)噴支撐材料制作支撐，兩種材料特性不同，制作完畢后去除支撐相當(dāng)容易。在計(jì)算機(jī)控制下，