FDM沉積成型
關注創建者：匿名 創建時間：2021-11-18
FDM沉積成型的實例教程
目前，陶瓷3D打印的技術主要有，激光掃描固化成型技術（SLA）、數字光處理技術（DLP），粘結劑噴射技術（3DP）、FDM熔融沉積技術。陶瓷作為一種傳統的無機材料，已經有上千年的歷史。但是對于3D打印領域來說，卻是一個新興的材料。由于陶瓷材料本身的脆性，所以在3D打印領域一直鮮有人涉足。
還有一種陶瓷制造技術叫做Robocasting，通過擠出陶瓷漿料來3D打印陶瓷制品。不過陶瓷漿料粘度隨著擠出過程的剪切而下降。一旦糊料被擠出，材料上的剪切應力就會降低，粘度會升高，使擠出物返回到稠厚的糊狀稠度。雖然機器人可以產生中空蜂窩等幾何構造，但是3D打印陶瓷制品的分辨率是粗糙的，難以獲得高密度的陶瓷。
更強更致密
根據3D科學谷的市場研究，美國的大型國防合約商雷神公司（Raytheon Company）正在探索通過FDM熔融沉積技術來實現陶瓷產品的3D打印。
在長寬比為至少2：1的陶瓷中使用添加劑以制成長絲，然后通過FDM技術進行3D打印使得陶瓷產品具有紋理化的微結構和表面，并可以增強自然界中不存在的物理和化學性質。
根據3D科學谷的了解，這種方法可以合成具有自然界中不存在的新型材料，通過利用陶瓷的各向異性特性，這種方法可以獲得單晶材料。此外，還可以通過纖維增強來實現增強的微結構。這其中，添加劑可包括任何結晶材料，合成材料或聚合物材料。合適的添加劑包括白榴石，二硅酸鋰，氮化硅，玻璃（例如二氧化硅）或其任何組合。
此外，還可以通過HIP熱等靜壓過程來進一步減少或消除可能殘留的任何殘余孔隙。HIP過程降低了孔隙率并增加了陶瓷材料的密度，此外，HIP過程還可以改善陶瓷產品的機械性能。
展開 我們都知道，工程塑料在FDM（熔融沉積成型）打印中，通常會采用分層堆疊的打印方式，那每一層之間必然會存在一定的銜接痕跡。
正因如此，在XY軸方向上遇到弧面或小角度平面時，其層紋會變得異常明顯。從 JLC3D 小編實際打印的圓弧形模型（PLA材料）中可以清晰地看到，模型表面呈現出明顯的階梯狀紋理，層紋之間的跨度較大，看起來反而不精細了。
尤其是當模型表面弧面較多時，更容易導致表面打印的粗糙甚至直接損壞，如下圖，這樣一來，就會降低模型的精度與美觀度。
所以說，工程塑料并不適合打印圓形結構或復雜曲面模型，JLC3D小編建議大家選擇尼龍或樹脂材料，這兩種材料在打印弧面時表現更佳，能有效減少層紋，提升表面光滑度。
展開 （a）打印層厚度和周長光柵，（b）3D打印方向的圖示
來自印度尼西亞國家航空航天研究所（LAPAN）的一組研究人員研究了基于擠壓的3D打印方法（FDM，熔融沉積成型，FFF）生產的可生物降解PLA材料的機械表征（彎曲性能）。對各種3D打印參數進行了大量研究，該研究團隊在論文中發表基于3D打印PLA各層厚度對彎曲性能的影響的研究，論文的題目為“PLA的彎曲性能層厚度的影響”。
摘要中寫道：“該研究始于制造基于ASTM標準的實體3D模型，使用三點彎曲法對材料進行彎曲性能測試。通過三點彎曲試驗，其中載荷單元為100kN，試樣形狀和尺寸符合ASTMD790標準尺寸。結果表明，層厚度對PLA的彎曲強度有影響。樣本Lt=0.4至0.5mm的最大彎曲強度顯著增加。此外，隨著層厚度的增加，延展性降低也是值得的。根據試驗結果，最大彎曲強度發生在0.5mm層厚度和59.6MPa，最小彎曲強度發生在0.1mm層厚度和43.6MPa。較高的層厚度傾向于促進更高的強度。較厚的層是保持負載彎曲的較強層結合。在這項研究中，較厚的層具有90度分層斷裂的趨勢，較薄的層具有10度，根據印刷方向顯示45度的分層斷裂為±45°。
展開 目前FDM（熔融沉積成型）機型市場常見的大多為桌面機。和FDM桌面機相比較，工業級FDM機型無論在成型精度還是在成型尺寸等方面都提升了很多。
本期增材專欄文章以德迪研發的一款工業級FDM機型為研究對象，該機型具備高精度、高效率、大尺寸等特點，并且擁有全鈑金機身+鋁合金框架，輕量化結構，全封閉降噪，并搭配進口軸承和全新高精度滾珠絲桿，保證設備運行穩定性。此外，該機型還擁有斷電續打、缺料檢測、智能容錯檢測等功能，可實現設備長時間連續穩定打印，適用于打印各種大尺寸、結構復雜的手版模型及工業級別零件。
該機型內部某框架結構的加工方法為激光切割，本文通過分析該部件在激光切割的過程中產生的變形及最大應力，為該框架的結構設計和加工工藝選擇提供相應的參考。
內部框架幾何模型及材料
本次計算模型基于德迪某款工業級FDM打印機內部某框架模型進行建模。打印機內部某框架模型如圖2-1所示。
圖2-1內部某框架幾何模型
該框架所用材料為Q235，本文計算過程中采用的Q235材料參數的具體數值見表2-1。
仿真模型的建立
本次計算模型處理是在Ansys workbench進行網格劃分，單元類型采用四面體單元，具體網格劃分情況見圖3-1。
圖3-1 網格劃分情況
因為本文主要分析內部框架激光加工過程所產生的熱變形和應力，因此采用瞬態熱分析和瞬態結構分析耦合的方式進行計算，計算流程如圖3-2所示：
圖3-2 分析計算流程
計算過程需要獲得激光切割速度、切割熔池寬度、激光類型、激光切割路徑、加工過程固定的位置等參數。
展開 FDM（熔融沉積成型）是目前應用最廣泛的3D打印技術，主要是因為其整個系統構造原理和操作都比較簡單，并且后期維護使用成本較低以及不需要太多的后處理工序，但該技術由于自身成型工藝的原因，成型件表面成型質量還有待提高。
隨著該技術的飛快發展，FDM桌面機已經開始進入到人們的日常生活中，那么對成型件表面的精度要求也越來越高。在影響表面成型精度各種控制因素中，整個打印腔室內溫度控制是最重要的一個因素。若整個成型腔室溫度過高，會造成成型件在打印過程中出現變軟、坍塌等打印缺陷；若整個成型腔室溫度過低，會造成成型件在打印過程中層與層之間存在粘接不牢等打印缺陷。那么整個成型腔室內溫度分析對成型件的表面質量有著重要的影響。
本期增材專欄，基于某款FDM桌面機對其整機成型腔室的溫度進行散熱仿真分析，以獲得其整個成型腔室內部溫度分布狀況，同時對其散熱結構進行了相應的優化，獲得原方案和優化方案的對比結果，為后期產品的設計改進提供了參考依據。
FDM桌面機模型簡化處理
FDM桌面機主要由腔室框架、噴頭系統、送絲系統、運動結構、加熱系統、成型平臺以及其他附件等部分組成，具體可參見圖1所示。FDM桌面機整機模型結構比較復雜，在仿真計算中，需要把一些對整機成型腔室溫度仿真分析影響不大的部件進行忽略。
圖 1某FDM桌面機整機模型
圖 2某FDM桌面機簡化后模型
在本文仿真模型中，只考慮腔室框架、噴頭系統、送絲系統、部分運動件和成型平臺，腔室框架內：上壁板以頂蓋為邊界做模型簡化，去掉加強筋；下壁板以成型平臺為邊界簡化為平面；送料電機按外殼形狀做簡化，風扇按外殼形狀簡化為方塊體，具體可參見圖2所示。
同時對一些結構（比如噴頭系統）進行模型簡化。
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我們都知道，工程塑料在FDM（熔融沉積成型）打印中，通常會采用分層堆疊的打印方式，那每一層之間必然會存在一定的銜接痕跡。
正因如此，在XY軸方向上遇到弧面或小角度平面時，其層紋會變得異常明顯。從 JLC3D 小編實際打印的圓弧形模型（PLA材料）中可以清晰地看到，模型表面呈現出明顯的階梯狀紋理，層紋之間的跨度較大，看起來反而不精細了。
在歐美、日韓等主要的消費級3D打印機市場，普通個人消費者大多購買和使用FDM（熔融沉積成型）技術的3D打印機，是一種將熱熔性的絲狀材料（比如PLA，ABS，尼龍等）加熱融化成型的方法。
這類打印機具有打印成本低，技術較為成熟的特點，成為家用3D打印方案的首選。
但也是因為它的成本控制等方面限制，這類打印機普遍缺乏強有力的軟件支持，并且還有打印失敗率較高等問題。
目前FDM（熔融沉積成型）機型市場常見的大多為桌面機。和FDM桌面機相比較，工業級FDM機型無論在成型精度還是在成型尺寸等方面都提升了很多。
本期增材專欄文章以德迪研發的一款工業級FDM機型為研究對象，該機型具備高精度、高效率、大尺寸等特點，并且擁有全鈑金機身+鋁合金框架，輕量化結構，全封閉降噪，并搭配進口軸承和全新高精度滾珠絲桿，保證設備運行穩定性。
FDM（熔融沉積成型）是目前應用最廣泛的3D打印技術，主要是因為其整個系統構造原理和操作都比較簡單，并且后期維護使用成本較低以及不需要太多的后處理工序，但該技術由于自身成型工藝的原因，成型件表面成型質量還有待提高。
隨著該技術的飛快發展，FDM桌面機已經開始進入到人們的日常生活中，那么對成型件表面的精度要求也越來越高。
FDM又稱熔融沉積成型，是迄今為止最容易獲取且使用最廣泛的 3D 打印工藝。FDM 3D打印技術根據軟件預設的坐標擠出熱塑性塑料絲，自下而上逐層構建零件。這種打印技術主要以ABS、尼龍、PC等熱塑性線裝材料為原料，操作便捷，體積小巧，清潔易用，適合辦公室環境；打印出的零件具有很好的耐熱性和化學強度；它可以實現傳統技術無法制造的復雜幾何形狀和內腔。
（a）打印層厚度和周長光柵，（b）3D打印方向的圖示
來自印度尼西亞國家航空航天研究所（LAPAN）的一組研究人員研究了基于擠壓的3D打印方法（FDM，熔融沉積成型，FFF）生產的可生物降解PLA材料的機械表征（彎曲性能）。
陶瓷3D打印一直是大家非常關注的話題，因為陶瓷的應用領域非常廣泛，涵蓋科研、醫療、工業、建筑及首飾等，尤其是具有許多有利性能的高級陶瓷材料更是航空航天及國防等領域需要的材料，而3D打印的陶瓷產品能保證良好的表面質量及各種良好性能。
目前，陶瓷3D打印的技術主要有，激光掃描固化成型技術（SLA）、數字光處理技術（DLP），粘結劑噴射技術（3DP）、FDM熔融沉積技術。陶瓷作為一種傳統的無機材料
