熱熔堆積固化成型法3D打印
FDM,熱熔堆積固化成型法(Fused Deposition Modelin)
FDM技術是由Stratasys公司所設計與制造,FDM技術利用ABS,polycarbonate(PC),polyphenylsulfone (PPSF)以及其它材料。這些熱塑性材料受到擠壓成為半熔融狀態的細絲,由沉積在層層堆棧基礎上的方式,從3D CAD資料直接建構原型。該技術通常應用于塑型,裝配,功能性測試以及概念設計。此外,FDM技術可以應用于打樣與快速制造。
FDM 術語
WaterWorks(水溶性支撐): 可以分解于堿性水溶劑的可溶解性支撐結構。
Break Away Support Structure (BASS) (易剝離性支撐): 水溶性支撐的前身,需要手動剝離工件表面的支撐。
Tip(噴嘴): 擠壓成型用的噴嘴。噴嘴提供各種不同的孔徑讓使用者選擇。
Road(線材):在噴嘴的單一路徑中所擠壓成型的材料。可由噴嘴尺寸與材料進幾率控制。
工程材料屬性
致力于工業需求,符合這些預期用來生產的材料的材料屬性非常重要,這也是FDM技術最重要的強項之一。當Stratasys公司制造用于FDM技術的所有材料,每一項都是從商業上可用的熱塑性樹脂來生產。
ABS 所有的FDM系列產品都提供ABS作為材料選項,而接近90%的FDM原型都是由這種材料制造。使用者報告說ABS的原型可以達到注塑ABS成型強度的80%。而其它屬性,例如耐熱性與抗化學性,也是近似或是相當于注塑成型的工件,其耐熱度為攝氏93.3度。這讓ABS成為功能性測試應用的廣泛使用材料。
Polycarbonate 可以在Titan機型上使用的一種新式RP材料–polycarbonate –正在快速成長。增加強度的polycarbonate比ABS材料生產的原型更經得起力量與負載。許多使用者相信該材料生產的原型可以達到注塑ABS成型的強度特性,其耐熱度為攝氏125度。
其它材料: FDM技術還有其它的專用材料。這些包含polyphenylsulfone、橡膠材質以及蠟材。橡膠材質是用來作類似橡膠特性的功能性原型。蠟材是特別設計來建立脫蠟鑄造的樣品。蠟材的屬性讓FDM的樣品可以用來生產類似鑄造廠中的傳統蠟模。Polyphenylsulfone,一種應用于Titan機型的新工程材料,提供高耐熱性與抗化學性以及強度與硬度,其耐熱度為攝氏207.2度。
ABS提供六種材料顏色。色彩的選項包含藍色,黃色,紅色,綠色與黑色。醫學等級的ABSi 提供針對于半透明的應用,例如汽車車燈的透明紅色或是黃色。
精度和穩定性
一般而言,FDM技術所提供的準確性通常相等或是優于SLA技術以及PolyJet技術,且確定優于SLS技術。然而,由于精準性是取決于許多的因素,所以矛盾的結果便會發生在個別的原型上。FDM技術的精準性受到較少的變量影響。用SLA,SLS以及PolyJet技術,尺寸精準性會受影響的因素有機器的校正,操作的技巧,工件的成型方向與位置,材料的年限以及收縮率。
Z軸可能是被證明準確性最小的。除了先前所討論的變化之外,原型的高度可能由于層厚整數誤差而改變。對所有的RP系統而言都是這樣的。任何特征的表面頂端或是底端無法對齊成為一層時,在軟件中的切層算法會將尺寸整數化到最接近的層厚數。在最壞的情形下,一端的表面往下整數化而另一端向上,高度可能偏離一個層厚。對于典型的FDM參數,這可能會產生的誤差至少為0.127mm。
尺寸的穩定性是FDM原型的關鍵優勢,如同SLS技術,時間與環境的曝曬都不會改變工件的尺寸或其他的特征。一但原型從FDM系統分離,當它達到室內溫度后,尺寸是固定不變的。如果溫度度數變化,用SLA 或是PolyJet技術則不是這樣的情形。
表面精度
FDM技術最明顯的限制就是表面完工精度。由于是半熔融狀態塑料擠制成型,表面完工精度比SLA與PolyJet還要粗糙,而與SLS不相上下。當由較小的線材寬度與較薄的層厚來改進表面完工精度時,仍然可以在頂端,底面,以及側墻看出經過擠壓噴嘴的等高線輪廓與建構層厚。為了改善表面完工精度,3D打印機廠商在層厚技術點上取得了突破,最小可以提供0.127 mm層厚。
使用者發現工件的成型方向,可以滿足考慮表面完工精度需求。這些要求較高完工精度的表面通常以垂直方向成型。較不重要的表面通常以水平方向成型,就像是底端或是頂端的表面。如同其它技術,二次加工(后處理輸出)可以用來使之相同。然而,ABS與polycarbonate材料的硬度讓打磨耗費人力。使用者通常使用溶劑或用是粘結劑完成或是預備用打磨。商業上可用的這些介質包含有熔接,ABS快干膠,Acetone 以及two-part epoxies。要符合足夠的精度,FDM技術與競爭對手的產品都可以提供翻硅膠模用或是噴漆用的表面。這關鍵的差異是要花費多少時間才能達到要求的結果。
加工限制
盡管高端的FDM系統可以生產較小的特征,大多數FDM原型的最小特征尺寸受限于兩倍線材寬度。沒有使用者的介入,FDM技術使用的”closed path”選項會限制最小特征尺寸為兩倍擠壓成型噴組的寬度。對于一般噴嘴與建造參數而言,最小特征尺寸范圍從0.4到 0.6 mm。盡管大于SLA與PolyJet的最小特征尺寸,但是該范圍是與這些技術的可用最小特征尺寸相同。
SLA技術可以建造小到0.08 (Viper si2機種)或0.25 mm (所有機種),以及PolyJet技術可以建造小到0.04mm,幾乎很少原型會用到這些極小值的優勢來作最小的細節。考慮到材料屬性,通常發現SLA技術與PolyJet技術的原型常用最小特征尺寸為0.5mm。FDM技術的最小特征尺寸相等于或是優于SLS技術的0.6到 0.8 mm。由于材料屬性相似于注塑成型的ABS或是polycarbonate,FDM技術可以給予功能性特征尺寸在0.4到 0.6 mm范圍中。
環境抵抗力
FDM原型提供的材料性質相似于熱塑性材料。這包含了環境的與化學的曝曬。對ABS材料而言,使用者可以實驗他們的原型在93度的溫度下以及包含石油,汽油以及甚至某些酸類等的化學媒介。一關鍵的考慮為水氣的曝曬,包括浸沒與濕氣。SLA技術與PolyJet技術使用的光敏樹脂對于潮濕水氣敏感且會受到傷害。暴曬在水中或是濕氣中不只會影響原型的機械屬性,也會影響尺寸精度。當光敏樹脂的原型吸收了水氣之后,他們將會開始軟化并且變的有點易于彎曲。而且,工件會有翹曲或是膨脹的傾向,這會嚴重影響尺寸的精度。FDM技術的原型,以及SLS技術的原型,都不受濕氣影響,所以他們可以保持原有的機械屬性以及尺寸精度。
后期加工
FDM原型可以進行銑床加工,鉆孔,研磨,車床加工等。為了補償表面精度不足并加強特征細節,當有特殊的品質需求時,使用者通常會進行二次加工來提升原型的細節。