【正文】 國(guó)學(xué)者 Crump于 1988 年研制成功，并由美國(guó) Stratasys 公司推出商品化的設(shè)備 [3]。類似的工藝 還有 MJS（ Multiple Jet Solidification）、 MEM（ Melted Extrusion Manufacturing）等。 Stratasys公司于 1993年開(kāi)發(fā)出第一臺(tái) DDM1650 機(jī)型后，又先后推出了 FDM20 FDM3000 和 FDM8000 機(jī)型。 FDM 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前研究 FDM 最主要的是美國(guó) Stratasys 公司。該公司于 1993 年開(kāi)發(fā)出第一臺(tái) FDM1650 機(jī)型后，先后推出了 FDM20 FDM3000 和 FDM8000 機(jī)型； 1998 年又推出了采用擠出頭磁浮定位（ Magna Drive）系統(tǒng)，可同時(shí)控制兩個(gè)噴出頭的 FDMQuantum 機(jī)型； 1999 年推出可使用使用聚脂熱塑性塑料的 Genisys 型改進(jìn)機(jī)型 GenisysXs[1]；目前該公司最新的 機(jī)型有 Dimension 三維打印機(jī)、 FDM Prodigy plus、 FDM Vantage、 FDM Titan、 FDM Maxum快速成形機(jī)。 國(guó)內(nèi)，華中科技大學(xué)、北京殷華公司等單位也從事 FDM 方面的研究。并在此基礎(chǔ)上新推出了面向辦公應(yīng)用的 MEM200 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。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。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]。 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。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(pán)、電子產(chǎn)品外殼甚至塑料注塑模具等。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。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。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]。 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。 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） 。該方法有潛力來(lái)提高制件質(zhì)量、生產(chǎn)效率和工藝速度 [8]。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]。 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)。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]。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。 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。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]。 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]。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。 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。噴頭是最復(fù)雜的部分。如此反復(fù)進(jìn)行即可得到實(shí)體零件。送絲機(jī)構(gòu)為噴頭輸送原料，進(jìn)絲要求平穩(wěn)可靠。 （ 3）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 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。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。 （ 5）工作臺(tái)。 ． 7 FDM 成型特點(diǎn)： 1)標(biāo)準(zhǔn)的工程熱塑性塑料。 2)可以使用兩 種材料，可選柵格結(jié)構(gòu)充當(dāng)填空。 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。 ． 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(méi)有毒氣或化學(xué)物質(zhì)的危險(xiǎn)。 可快速構(gòu)建瓶狀或中空零件。 原材料費(fèi)用低，一般零件均低于 20 美元。 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。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。 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。 2) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 采用步進(jìn)式開(kāi)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。 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。 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。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。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)。 5) 機(jī)床開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng) 機(jī)床開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)是對(duì)機(jī)床 一些必要的開(kāi)關(guān)量，如強(qiáng)電開(kāi)關(guān)量、加熱器開(kāi)關(guān)量、調(diào)試開(kāi)關(guān)量、上門(mén)開(kāi)關(guān)量等，進(jìn)行的控制，以達(dá)到機(jī)床特定的輔助功能。 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。在計(jì)算機(jī)控制下，噴頭可在 XY 平面內(nèi)任意移動(dòng)，兩個(gè)噴頭可以獨(dú)立開(kāi)啟關(guān)閉。副噴頭工作時(shí)，主噴頭上下位置不動(dòng)，副噴頭接近工作臺(tái)。 2) 工作平臺(tái) 工作臺(tái)主要有臺(tái)面和泡沫墊片組成，每完成一層成型，工作臺(tái)便下降一個(gè)高度。 4) 送絲機(jī)構(gòu) 送絲機(jī)構(gòu)為噴頭輸送原料。送絲機(jī)構(gòu)和噴頭采用推拉相結(jié)合的方式，以保證送絲可靠，避免斷絲或積瘤。熔融狀態(tài)的絲擠出成型后如果驟然受到冷卻 , 容易造成翹曲和開(kāi)裂 , 適當(dāng)?shù)沫h(huán)境溫度可最大限度地減小這種造型缺陷 , 提高成型質(zhì)量和精度。 立 式加工中心主要用于 各種中小 尺寸，各種基礎(chǔ)件、板件、殼體、模具等多品種零件的加工，工件一次裝夾后可自動(dòng)高效、高精度的連續(xù)完成銑、鉆、鏜、鉸等多種工序的加工，適用于航空、機(jī)床、印刷、輕紡、模具等制造行業(yè)。摩擦力矩小，適用于高靈敏 .高精度 .高剛度的進(jìn)給定位系統(tǒng)。 maxF = jF + mF =3000+0=3000N， minF =0N F=31 （ 2 maxF + minF ） =31 （ 23000+0） =2020N ⑶ 當(dāng)量轉(zhuǎn)速 mn 當(dāng)轉(zhuǎn)速在 maxn 和 minn 之間變化時(shí)， mn =21 ( maxn + minn )=21 (2020+0)=1000 r/min ⑷ 額定動(dòng)載荷計(jì)算 amC (N) amC = wf mF ( sL / hL )31 /af cf =2020 31661020101020 ???????????? =2020 =11100 N amC? = ef maxF =3000=13500 N af — 精度系數(shù)， af =1 cf — 可靠性系數(shù)， cf =1 wf — 載荷性系數(shù)， wf = sL — 預(yù)期工作距離， sL =1020 610? km 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 16 頁(yè) 共 36 頁(yè) ef — 預(yù)加載荷系數(shù)， ef = maxF 最大軸向載荷， maxF =3000N ⑸ 估算滾珠絲杠允許最大軸向變形 m? m?? =（ 1/3～ 1/4）重復(fù)定位精度 =31 = m?? ≤（ 1/4～ 1/5）定位精度 =41 = 取 m?? 與 m?? 中較小值為 m? 值 m? = ⑹ 估算滾珠絲杠底徑 md2 (mm) md2 =a mLF ?/0 = 1013002020 3??? = 0F =F=3000 N a— 支承方式系數(shù) ， 一 端固定時(shí) 一端游動(dòng)時(shí) 取 0F — 導(dǎo)軌靜摩擦力 ,N 0? — 導(dǎo)軌靜摩擦因數(shù) L— 滾珠絲杠 兩軸承支點(diǎn)間的距離 ⑺ 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號(hào) 選定滾珠螺母型式 ,按上述估算的 hP . amC 及 md2 值中選出合適的規(guī)格代號(hào)及有關(guān)安裝 .連接尺寸 ,并使 2d ≥ md2 , aC ≥ amC 但不宜過(guò)大 ,以免增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及結(jié)構(gòu)尺寸。 型號(hào) 40103， 其參數(shù) L=84 D=108 D1=63。 ⑻ 計(jì)算預(yù)緊力 pF 當(dāng)最大軸向工作載荷 maxF 能確定時(shí) , pF = maxF /3=3000/3=1000N ⑼ 行程補(bǔ)償值 C（ μm） C=△ t ul 310? =21300 310? = ul =行程 +（ 8～ 14） hP =1020+1420=1300mm △ t— 溫度變化值， 2～ 3C176。精度等級(jí) 32 ； ⒀ 滾珠絲杠壓桿穩(wěn)定性 cF 驗(yàn)算 cF = 1K 2K 510 42d / 21cL =21 4510 440 / 2800 =510 N≥ maxaF? cF — 臨界壓縮載荷， N 1K — 安全系數(shù)，絲杠垂直安裝為 1/2 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 19 頁(yè) 共 36 頁(yè) 2K — 支承系數(shù)， 1cL — 絲杠最大受壓長(zhǎng)度， maxaF? — 滾珠絲杠副所受的最大軸向壓縮載荷 ⒁ 滾珠絲杠副極限轉(zhuǎn)速 計(jì)算 (r/min) = 710 f 2d / 22cL = 710 40/ 2800 = r/min f— 支承系數(shù)， f= 2cL — 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度， 2cL =800 mm ⒂ dn 值校驗(yàn)（ rmm/min 0d — 滾珠絲杠副的公稱直徑， mm maxn — 滾珠絲杠副最大轉(zhuǎn)速 ,r/min ⒃ 額定靜載荷 oaC 驗(yàn)算（ N） sf maxaF =3000=6600 N≤ oaC ， oaC — 滾珠絲杠副基本軸向額定靜載荷， oaC = 310 N sf — 靜態(tài)安全系數(shù)，一般取 1～ 2，有沖擊振動(dòng)時(shí)取 2～ 3 maxaF — 滾珠絲杠副最大軸向載荷， maxaF =300