模塊三

熔融堆積成型3.1熔融沉積成型技術的工藝原理和工藝特點通過觀看《熔融沉積成型技術》視頻，熔融堆積技術講解了哪些要點？你從中了解到哪些知識？課堂導入觀看視頻并回答猜一猜：下面茶具樣品是用什么材料制作的？是通過什么方法制作的？學習導覽圖熔融堆積成型技術的工藝原理01模塊3熔融堆積成型熔融堆積成型技術的工藝特點02熔融堆積成型技術的工藝流程03熔融堆積成型技術的成型材料種類及特征04熔融堆積成型技術的應用05熔融堆積成型技術的發(fā)展方向06本節(jié)知識點熔融堆積成型技術的發(fā)展1熔融堆積成型技術的工藝原理2熔融堆積成型技術的優(yōu)點3熔融堆積成型技術的不足4

在描繪熔融沉積式打印技術工作原理之前，我們可以先設想這樣一個場景：蛋糕店里面擠蛋糕花，把奶油裝進一個錐形（像一把老式雨傘）的塑料里，頂部開一個小孔，然后你把這個塑料錐形頭朝下，向盤子上面擠，邊擠變移動，就像寫毛筆字一樣，當你完成第一層的堆積后，向上抬一點，重復第一層的工作，以此類推，重復以上過程，直至最終堆出你想要的形狀，其實這就是FDM的基本思想。

熔融沉積成型（FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM），也稱熔融沉積制造、熔融堆積成型等。該工藝思想最先由美國學者斯科特?克倫普（ScottCrump）于1988年提出，并于1989年申請了美國專利。同年，斯科特和妻子麗莎?克倫普（LisaCrump）一同創(chuàng)立了Stratasys公司。1992年，Stratasys公司在成立3年后，推出了第一臺基于FDM技術的3D工業(yè)級打印機。由于FDM的設備維護方便，成型材料廣泛，自動化程度高，且占地面積小，目前被廣泛應用于產品開發(fā)、快速模具制作、醫(yī)療器械的設計開發(fā)及人體器官的原型制作，代表著快速成型制造技術的一個重要發(fā)展方向。在國內，清華大學也較早地進行了FDM工藝商品化系統(tǒng)的研制工作，并推出熔融擠壓制造設備MEM250。

熔融沉積成型技術的發(fā)展熔絲堆積成型工藝是將絲狀的熱熔性材料加熱熔化，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來。噴頭可沿著x軸方向移動，而工作臺則沿y軸方向移動。如果熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型部分的溫度稍低于固化溫度，就能保證熱熔性材料擠噴出噴嘴后，隨即與前一層面熔結在一起。一個層面沉積完成后，工作臺按預定的增量下降一個層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個實體造型。熔融沉積成型技術的工藝原理成本相對較低制作和使用維護費用較低；材料利用率高、能耗小、污染小、綠色環(huán)保。

成型材料廣泛石蠟、PLA、ABS、聚碳酸酯、尼龍、低熔點金屬、陶瓷等低熔點材料、以及復合材料均可作為原材料。后處理簡單僅需剝離支撐結構，模型的翹曲變形相對較小。熔融沉積成型技術的優(yōu)點成形件表面有較明顯的條紋或者臺階效應，影響成形件的表面質量；成形件存在各向異性的力學特點，沿豎直疊加方向的粘結強度相對較弱；成形工藝需要為傾斜、懸臂結構設計制作支撐結構，降低了材料利用率和加工效率；打印模型的每一層均需按截面形狀逐條填充，并且受慣性影響，噴頭無法快速移動，致使打印過程緩慢，打印時間較長。熔融沉積成型技術的不足&

課堂討論提問：通過本課時的學習，對FDM技術的工藝原理和工藝特點你有哪些認識？平時在運用FDM技術打印模型時，我們有哪些地方要特別注意？

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熔融堆積成型3.2熔融沉積成型技術的工藝流程課堂導入如果讓你自己建模一組茶具樣品模型，你會做嗎？打算怎么做？想一想本節(jié)知識點FDM的工藝流程概況1主流的三維設計軟件有哪些2如何獲得模型STL格式34如何設置打印參數(shù)5FDM的成型過程67FDM的后處理如何進行切片處理FDM的工藝流程圖建立三維實體模型STL文件數(shù)據(jù)轉換分層切片加入支撐逐層熔融沉積制造三維模型成型后處理Autodesk123D是一套適用于普通用戶的建模軟件,可以通過簡單的操作編輯3D模型，不需要專業(yè)知識。3Done是一款為中小學生呈現(xiàn)創(chuàng)意設計而開發(fā)的設計軟件，功能強大、易于上手，能夠輕松表達想法。

UG是當今較為流行的一模具設計軟件，功能強大，是一款專業(yè)級的軟件。SolidWorks是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，有功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新三大特點，也屬于專業(yè)級軟件。Pro/EAutoCAD可用于繪制二維制圖和基本三維設計，通過它無需建立三維實體模型的編程，即可自動制圖，因此在全球被廣泛使用。

SolidWorksPro/EAutoCADUG3DoneAutodesk123D是CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件，是參數(shù)化技術的最早應用者，在三維造型軟件領域占有重要地位。建立三維實體模型STL格式表達簡單明了，其實質是用無數(shù)多個細小的三角形來近似的代替并且還原原來的三維CAD模型，與有限元中的網格劃分有很大相似處。STL格式目前已普遍被快速成型設備接受，成為快速成型行業(yè)數(shù)據(jù)的一個標準。獲得模型STL格式的數(shù)據(jù)目前使用比較多的切片軟件主要有Slic3r和Cura兩種，也有公司針對自己機器特點開發(fā)了專用的切片軟件。切片處理設置合適的打印參數(shù)：打印層厚打印速度打印溫度填充類型……設置打印參數(shù)打開打印機，載入前處理生成的切片模型；將工作臺面清理干凈，待系統(tǒng)初始化完成后，即可執(zhí)行打印命令，完成模型打印。成型過程去除支撐打磨拋光噴漆（上色）后處理去除支撐結構是FDM技術的必要后處理工藝，復雜模型一般采用雙噴頭打印，其中一個噴頭擠出的材料就是支撐材料，F(xiàn)DM的支撐材料有較好的水溶性，也可在超聲波清洗機中用堿性（NaOH溶液）溫水浸泡后將其溶解剝落。去除支撐打磨處理主要是去除成型件“臺階效應”達到表面光潔度和裝配尺寸精度要求，可用水砂紙直接手工打磨的方法，但由于成型材料ABS較硬，會花費較長時間。也可采用天那水（香蕉水）浸泡涂刷使成型表面溶解平滑的方法，但需控制好浸泡時間或涂刷量，一般1次浸泡時間為2～5s，或用毛筆刷蘸天那水多次涂刷。打磨拋光處理拋光處理前后對比拋光噴漆（上色）&

課堂討論1.你覺得這些流程中最難學習的地方是什么？2.通過本節(jié)課的學習，你認為以前打印的東西有哪些地方需要進行改進的？

模塊三熔融沉積成型3.3熔融沉積成型技術的成型材料課堂導入我們在平時的實訓中，使用的FDM材料有哪些？這些材料有哪些特點？想一想本節(jié)知識點FDM成型材料的特性1

ABS和PLA材料的區(qū)別與應用2支撐材料的要求3支撐材料的分類4成型材料一熔融沉積成型設備中的熱熔噴頭是該工藝應用中關鍵部件。除了熱熔噴頭以外，成型材料的相關特性也是FDM工藝應用過程中的關鍵。材料的粘度1材料熔融溫度2粘結性3收縮率4成型材料的特性FDM3D打印絲材目前可以用來制作線材或絲材的材料主要有石蠟、塑料、尼龍絲等低熔點材料和低熔點金屬、陶瓷等，市場上普遍可以購買到的成型線材包括ABS、PLA、人造橡膠、鑄蠟和聚酯熱塑性塑料等，其中ABS和PLA最為常用。ABS材料特點材料強度較大，抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性、耐化學藥品性及電氣性能好，稍難降解、環(huán)保性稍差，更適合制造業(yè)領域。PLA材料特點更易塑形，也更易保持造型，難變形、可降解的環(huán)保材料更適合醫(yī)療、教學、食品等環(huán)保要求較高的的領域。提問：ABS和PLA材料的最大區(qū)別是什么？如果要打印一個扳手你自覺地使用哪種材料更合適？為什么？支撐材料二根據(jù)FDM的工藝特點，切片軟件必須對復雜產品三維CAD模型做支撐處理，目的：1.避免截面部分發(fā)生塌陷或變形，影響成型零件的成型精度；2.建立基礎層，起緩沖作用，減少模型熱變形，并使原型制作完成后便于與工作平臺剝離；3.可以給制造過程提供一個基準面。1力學性能2熔體粘度3收縮率4化學穩(wěn)定性5熱穩(wěn)定性支撐材料應滿足的要求可剝離性支撐材料FDM工藝常用的支撐材料有可剝離性支撐材料和水溶性支撐材料兩種應具有一定的脆性，并且與成型材料之間形成較弱的粘結力。水溶性支撐材料要保證良好的水溶性，應能在一定時間內溶于水或酸堿性水溶液。適合于制造空心及微細特征零件。目前市場上的支撐材料以水溶性的為主。&

課堂討論1.在運用FDM技術打印時，如何根據(jù)ABS和PLA材料的相關特征，正確選擇適合我們需要的模型？2.一般來說在什么情況下需要應用支撐材料？在應用時需要注意哪些問題？

模塊三熔融堆積成型3.4熔融沉積成型技術的應用運用FDM技術打印的涼亭樣式的燈（左），茶壺（右）課堂導入運用FDM技術打印的哨子運用FDM技術打印的汽車Strati運用FDM技術打印的下頜骨討論：根據(jù)你所了解的說一說，F(xiàn)DM技術目前可應用到哪些行業(yè)和領域？本節(jié)知識點在教育領域的應用1在工業(yè)領域的應用2在其他行業(yè)的應用3應用事例4FDM技術的發(fā)展方向5FDM成型技術走進課堂，能讓學生在創(chuàng)新能力和動手實踐能力上得到訓練，將學生的創(chuàng)意、想象變?yōu)楝F(xiàn)實，培養(yǎng)學生動手和動腦的能力，從而實現(xiàn)學校培養(yǎng)方式的變革。1.在教育領域的應用FDM3D打印技術在教學中的應用FDM3D打印技術制作的教學模型FDM作為一項先進制造技術，它可以在舍棄傳統(tǒng)加工工具（如刀具，工裝夾具等）的情況下，直接使用產品三維數(shù)據(jù)，快速、直接、精確地將虛擬的數(shù)據(jù)模型轉化為具有一定功能的實體模型，實現(xiàn)復雜形狀的產品制造。2.在工業(yè)領域的應用FDM技術用于產品開發(fā)利用FDM技術，能夠快速制造出模具樣品，方便驗證產品設計的合理性，不僅縮短了產品的研發(fā)周期，還減少了研發(fā)成本。利用FDM3D打印技術對耳機、水壺、灑水器構件進行裝配驗證

FDM技術用于零件的加工3D打印技術與通過零件拼裝及切割、焊接技術制造產品的傳統(tǒng)制造業(yè)有很大不同，摒棄了以去除材料為主要形式的傳統(tǒng)加工方法。FDM采用塑料、樹脂或低熔點金屬為材料，可便捷地實現(xiàn)幾十件到數(shù)百件數(shù)量零件的小批量制造，并且不需要工裝夾具或模具等輔助工具的設計與加工，大大降低了生產成本。FDM3D打印技術加工的空客直升機（AH）的功能性部件FDM技術憑借其多方面的優(yōu)勢，不僅在工業(yè)上廣泛使用，而且在生物醫(yī)學、考古、工藝品制作以及飲食等行業(yè)也得到很好的使用。3.在其他行業(yè)的應用根據(jù)掃描等方法得到的人體數(shù)據(jù)，利用FDM技術制造出人體局部組織或器官的模型，可以在臨床上用于復雜手術方案的確定，即制造解剖學體外模型，也可以制造組織工程細胞載體支架結構（人體器官），即作為生物制造工程中的一項關鍵技術。PA材料打印的手術導板小臂鏤空夾具在生物醫(yī)學領域FDM技術可以將所設計工藝品的三維數(shù)據(jù)模型快速轉變?yōu)閷嶓w模型，檢驗設計產品的安全性和美觀性等。在工藝品制作領域3D打印食品3DSystems公司宣布與著名巧克力品牌好時合作，開發(fā)全新的食物3D打印機，通過將巧克力、糖果等零食原材料熔化擠壓成型，最終打印成所設計的形狀。在飲食行業(yè)

模塊三熔融堆積成型3.5熔融沉積成型技術的發(fā)展方向FDM打印技術發(fā)展方向精密化便捷化通用化智能化直接面向產品的制造提升3D打印的效率和精度，制定連續(xù)、大件、多材料的工藝方法，提升產品的質量與性能。通用化減小機器體型，降低成本，操作簡單化，使之更適應設計與制造一體化和家庭應用的需求