【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 第 8 頁 共 36 頁 礎(chǔ)，最多可同時裝備 4 個噴頭。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法去除的難題 [3]。從 2020 年至今， Stratasys 公司為擴大 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 有六種標準顏色，包括：白、藍、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]。該裝備將一個微型擠出器安裝在一個精確定位系統(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，但是一些工藝參數(shù)（如顆粒度等）還需要進一步優(yōu)化。西安交通大學(xué)將傳統(tǒng) FDM 工藝中材料擠出過程作了改進，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 ) ,通過空氣壓縮機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：以氣壓作為擠壓動力有效可行 ,系統(tǒng)工藝簡單 ,成形材料選擇范圍廣泛 ,可完成傳統(tǒng) FDM的快速設(shè)計任務(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)了他們在金屬 /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 第 9 頁 共 36 頁 填充外殼，重復(fù)制作直至完成。該方法有潛力來提高制件質(zhì)量、生產(chǎn)效率和工藝速度 [8]。 工藝實驗方面的研究 馬來西亞科學(xué)大學(xué)（ University Sains Malaysia）的 Lee Taguchi method 來獲得使用 FDM 工藝制作 pliant ABS 原型時的最優(yōu)加工參數(shù)。最后通過實驗得到的結(jié)論是： layer thickness， raster angle 和 air gap 對 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 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，對擠出過程提出更高的要求的形式下，通過分析材料擠出階段的液化器動力學(xué)（ Liquefier dynamics） ，提出了擠出過程的控制策略 [10]。 大連理工大學(xué)的郭東明教授、賈振元教授等人也進行了 FDM 工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。他們使用一個包含 22 個尺寸、幾何精度及表面粗糙度特征的測試件，采用一個具有最少試驗次數(shù)的正交試驗得到 27 個 FDM 原 型；通過使用三坐標測量儀和表面粗糙度輪廓儀來測量原型件的各種特征，并使用 MATLAB 軟件進行試驗數(shù)據(jù)處理，據(jù)此結(jié)果來評估 FDM原型件的質(zhì)量；取并進行了工藝參數(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 工藝制作一個尼龍模型，然后在尼龍的外表面噴射一層鋅合金保護膜。目前，他們正在對這種新工藝，以及使用這種注塑模制作 出來的塑料件進行研究 [12]。 荷蘭 TNO 國家應(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）來直接制作金屬件。他們還對這中合金材料的微觀組織及其在擠出和沉積過程中的流變力學(xué)性質(zhì)等進行了研究 [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，并在狗和兔子上進行了實驗 [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際上處于領(lǐng)先水平。 Srezelec Rebecca Varreck Andrew 2020 年年會報告中，就 FDM 技術(shù)在機電工程技術(shù)教育中的應(yīng)用、 FDM 的操作、優(yōu)點和局限性及 FDM 教學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 10 頁 共 36 頁 應(yīng)用項目進行了討論 [18]。在他們的教學(xué)應(yīng)用項目中，在 Penn State Altoona 機電工程系的學(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，在他的報告中指出，美國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)進行她們的研究。她們在設(shè)計了 用戶產(chǎn)品之后，使用 FDM 去制作原型，然后進行討論。 FDM 系統(tǒng)組成 FDM 系統(tǒng)主要包括噴頭、送絲機構(gòu)、運動機構(gòu)、加熱成型室、工作臺五個部分。 （ 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動是擠出材料，與前一層粘結(jié)并在大氣中迅速固化。如此反復(fù)進行即可得到實體零件。 （ 2）送絲機構(gòu)。送絲機構(gòu)為噴頭輸送原料，進絲要求平穩(wěn)可靠。一般和噴頭采用推拉相結(jié)合的方式，以保證進絲穩(wěn)定可靠，避免斷絲或積瘤。 （ 3）運動機構(gòu)。運 動機構(gòu)包括 X， Y,Z 三個軸的運動。 XY 軸的聯(lián)動完成噴頭對截面的平面掃描， Z 軸則帶動工作臺實現(xiàn)高度方向上的進給。 （ 4）加熱成型室。加熱成型室用來給成型過程提供一個恒溫的環(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?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。工作臺主要由臺面和泡沫墊板組成，每完成一層成型，工作臺便下降一層高度。 ． 7 FDM 成型特點： 1)標準的工程熱塑性塑料。如 ABS 可以用來生成帶有結(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)充當填空。 3)加熱后的熱塑性塑料細絲像擠牙膏一樣從噴嘴中擠出。 4)熱塑性塑料到達較低溫度的工作環(huán)境平面后迅速冷卻固化。 5)近年來發(fā)展迅速，廣受用戶青睞。 ． 8 FDM 的優(yōu)、缺點及應(yīng)用范圍： FDM 快速原型技術(shù)的優(yōu)點是： 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。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 11 頁 共 36 頁 工藝干凈、簡單、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 ，易于搬運和快速更換。 原材料費用低，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。 缺點是： 成型精度相對國外先進的 SLA 工藝較低，最高精度 成型表面光潔度不如國外先進的 SLA 工藝； 成型速度相對較慢 適用范圍：這種工藝方法適合于產(chǎn)品設(shè)計的概念建模以及產(chǎn)品的功能測試。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。但成形精度相對較低，不適合于 制作結(jié)構(gòu)過分復(fù)雜的零件。 FDM 快速成型機 的總體設(shè)計 圖 5 FDM 快速成型系統(tǒng)原理圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 12 頁 共 36 頁 FDM 快速成型機 的系統(tǒng)設(shè)計 FDM 控制系統(tǒng)主要由計算機控制系統(tǒng)硬件、運動控制系統(tǒng)、送絲控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)及其機床開關(guān)量控制系統(tǒng) 5 部分組成。 1) 計算機控制系統(tǒng)硬件 主要有單臺工業(yè) PC 機、運動控制 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。它使用單臺工業(yè) PC 機完成上層數(shù)據(jù)處理和下層設(shè)備驅(qū)動功能，使用接口 板卡作為計算機控制系統(tǒng) 與其他子執(zhí)行系統(tǒng)的接口。 2) 運動控制系統(tǒng) 采用步進式開環(huán)運動 控制系統(tǒng)，運動機構(gòu)以 XY 步進電機與鋼絲繩傳動機構(gòu)、 Z 軸步進電機和絲杠傳動機構(gòu)構(gòu)成，控制模塊控 制步進電機的運動來完成 XY 的平面掃描和Z 軸的高度進給。 Z 軸方向采用較小的運動速度，保證 Z 軸的精確進給， XY 軸空運行時使用較高速，噴絲工作時使用較低速，保證工作時間的降低和運動的精度 。 FDM 系統(tǒng)采用的是一種三軸步進電機運動控制卡。該卡能實現(xiàn)精確的 XYZ 位置控制、精確的旋轉(zhuǎn)控制，主要用于機器人設(shè)備、裝配設(shè)備，以及其他使用步進電機的地方。 3) 送 絲控制系統(tǒng) 送絲控制系統(tǒng)包括送絲 機構(gòu)驅(qū)動電路。它控制送絲機構(gòu)的運動，從而將實體材料和支撐材料分別送入實體噴頭和支撐噴頭進行加熱熔化，并通過擠壓力將材料從噴頭中擠出。計算機控制系統(tǒng)通過數(shù)字量輸出卡和模數(shù) /數(shù)模轉(zhuǎn)換卡， 經(jīng)過送絲機構(gòu)驅(qū)動電路實現(xiàn)對送絲機構(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 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。它實現(xiàn)在系統(tǒng)工作時，分別將實體噴頭、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 第 13 頁 共 36 頁 圍內(nèi)。計算機控制系統(tǒng)通過數(shù)字量輸出卡來控制 溫控器的啟停。 5) 機床開關(guān)量控制系統(tǒng) 機床開關(guān)量控制系統(tǒng)是對機床 一些必要的開關(guān)量，如強電開關(guān)量、加熱器開關(guān)量、調(diào)試開關(guān)量、上門開關(guān)量等，進行的控制，以達到機床特定的輔助功能。計算機控制系統(tǒng)通過帶光電隔離功能的數(shù)字量輸入卡和數(shù)字量輸出卡 來完成他們的控制。 FDM 快速成型機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 FDM 快速成型機主要有擠壓噴頭、工作平臺、送絲機構(gòu)、運動機構(gòu)、加熱工作室 5個部分組成，如下圖所示。 圖 6 FDM 快速成型機結(jié)構(gòu)圖 （字體重標） 1) 擠壓噴頭 現(xiàn)在一般 都用雙噴頭獨立工作，一個主噴頭用來噴模型材料制作零件，另一個 副噴頭用來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容易。在計算機控制下，