1發展過程
快速成型技術（Rapid Prototyping） 是20 世紀80 年代中后期發展起來的一項新型的造型技術。RP 技術是將計算機輔助設計（CAD） 、計算機輔助制造（CAM） 、計算機數控技術（CNC） 、材料學和激光結合起來的綜合性造型技術。RP 經過十多年的發展，已經形成了幾種比較成熟的快速成型工藝:光固化立體造型（ SL —Stereolithography） 、分層物體制造（LOM —Laminated Object Manufacturing） 、選擇性激光燒結（SLS —Selected Laser Sintering） 和熔融沉積造型（ FDM —Fused Deposition Modeling）等。這四種典型的快速成型工藝的基本原理都是一樣的，但各種方法各有其特點。本文主要介紹FDM 工藝的原理及其過程。
工藝原理
快速成型技術是對零件的三維CAD 實體模型，按照一定的厚度進行分層切片處理，生成二維的截面信息，然后根據每一層的截面信息，利用不同的方法生成截面的形狀。這一過程反復進行，各截面層層疊加，終形成三維實體。分層的厚度可以相等，也可以不等。分層越薄，生成的零件精度越高，采用不等厚度分層的目的在于加快成型速度[1 ] 。
1.2 南寧臨界四維FDM快速成型機 的工藝原理
如圖1 所示。快速成型機的加熱噴頭受計算機控制，根據水平分層數據作x - y 平面運動。絲材由送絲機構送至噴頭，經過加熱、熔化，從噴頭擠出粘結到工作臺面，然后快速冷卻并凝固。每一層截面完成后，工作臺下降一層的高度，再繼續進行下一層的造型。如此重復，直至完成整個實體的造型。每層的厚度根據噴頭擠絲的直徑大小確定。
圖1 FDM 工藝原理圖
FDM 工藝關鍵是保持熔融的成型材料剛好在凝固點之上，通常控制在比凝固點高1 ℃左右[2 ] 。目前，常用的熔絲線材主要是ABS、人造橡膠、鑄蠟和聚酯熱塑性塑料，銅絲等。1998 年澳大利亞開發出了一種新型的金屬材料用于FDM 工藝———塑料復合材料絲。
2工藝過程
FDM 快速成型的過程包括:設計三維CAD 模型、CAD 模型的近似處理、對STL 文件進行分層處理、造型、后處理。如圖2 所示。
圖2 快速成型的過程
2.1 設計三維CAD 模型
設計人員根據產品的要求，利用計算機輔助設計軟件設計出三維CAD 模型。常用的設計軟件有: Pro/ Engineering ， Solidworks ， MDT ， AutoCAD ，U G等。
2.2 三維CAD 模型的近似處理
產品上有許多不規則的曲面，在加工前必須對模型的這些曲面進行近似處理。目前普遍的方法是采用美國3D System 公司開發的STL（Sterolithgraphy） 文件格式。用一系列相連的小三角平面來逼近曲面，得到STL 格式的三維近似模型文件。許多常用的CAD 設計軟件都具有這項功能，如Pro/ Engineering ， Solidworks ， MDT ， Auto2
CAD ，U G等。
2.3 對STL 文件進行分層處理由于快速成型是將模型按照一層層截面加工，累加而成的。所以必須將STL 格式的三維CAD模型轉化為快速成型制造系統可接受的層片模型。片層的厚度范圍通常在01025～01762mm 之間。各種快速成型系統都帶有分層處理軟件，能自動獲取模型的截面信息。
2.4 造型
產品的造型包括兩個方面:支撐制作和實體制作。
2.4.1 支撐制作
由于FDM 的工藝特點，系統必須對產品三維CAD 模型做支撐處理，否則，在分層制造過程中，當上層截面大于下層截面時，上層截面的多出部分將會出現懸浮（或懸空） ，從而使截面部分發生塌陷或變形，影響零件原型的成型精度，甚至使產品原型不能成型。支撐還有一個重要的目的:建立基礎層。在工作平臺和原型的底層之間建立緩沖層，使原型制作完成后便于剝離工作平臺。此外，基礎支撐還可以給制造過程提供一個基準面[1 ] 。所以FDM 造型的關鍵一步是制作支撐。
2.4.2 實體制作
在支撐的基礎上進行實體的造型，自下而上層層疊加形成三維實體，這樣可以保證實體造型的精度和品質。
2.5 后處理
快速成型的后處理主要是對原型進行表面處理。去除實體的支撐部分，對部分實體表面進行處理，使原型精度、表面粗糙度等達到要求。但是，原型的部分復雜和細微結構的支撐很難去除，在處理過程中會出現損壞原型表面的情況，從而影響原型的表面品質。于是，1999 年St ratasys 公司開發出水溶性支撐材料，有效的解決了這個難題。目前，我國自行研發FDM 工藝還無法做到這一點，原型的后處理仍然是一個較為復雜的過程。
3特點
311 系統與運行成本
FDM 快速成型系統成本較低，不需要其他快速成型系統中昂貴的激光器;成型材料價格較低;FDM 原型特別適合有空隙的結構，可節約材料與成型時間;體積小，無污染，是辦公室環境的理想桌面制造系統。但是，成型速度較慢，精度較低。
312 適用范圍
適用于薄殼體零件及微小零件;原型強度比較好，近似于實體零件，可作為概念型直接驗證設計。
結束語
由于FDM 工藝的特點， FDM 已經廣泛地應用于制造行業。它降低了產品的生產成本，縮短了生產周期，大大地提高了生產效率，給企業帶來了較大的經濟效益。當前快速成型技術的發展趨勢是將快速成型與其他*的設計與制造技術密切結合起來，共同發展。
參考資料
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