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Translation of literature
（1）Development of rapid tooling using fused deposition modeling: a review
熔融沉积成型技术发展综述
摘要-本文献目的是突出利用熔融沉积模型(FDM)工艺直接制造具有理论力学、摩擦学和热性能的快速模具(RT)。此外，本文献还综述了低成本复合材料替代长丝材料作为FDM原材料的发展过程，以拓展RT的应用范围。
设计/技术/方法-本文综述了各种研究员发表的FDM的替代材料及其在长丝形式制造中的加工要求。文献证明了各种后处理技术对FDM印刷品表面光洁度的影响。此外，还对低成本的长料原丝进行了实验研究，以检验其对商用FDM设备的适应性。该方法是为了实现FDM(熔体流动速率、弹性、刚度、熔融转变温度和机械强度)的要求，这是成功试用一种替代型长丝所必需的。本文研究了聚合物基体中各组分(添加剂、增塑剂、表面活性剂和填料)对聚合物力学性能、摩擦学性能和热性能的影响。
发现-在不改变其硬件和软件的情况下，将复合材料原料开发成用于商用FDM设备的打印材料是可行的。利用各种后处理技术，可以进一步提高零件的表面光洁度。大多数复合材料零件具有较高的机械强度、硬度、热稳定性、耐磨性和较好的粘结性能。
研究局限性/意义-未来的研究可能集中在提高复合材料作原料制造的零件的表面质量,解决填充材料均匀分布的相关问题，进一步提升机械强度,复合长丝材料的稳定性，并将该技术从实验室规模转化到各种工业应用中。
实际应用-直接制造技术在生物医学和牙科领域的潜在应用包括金属填充件和陶瓷填充件的快速制造(RM)(形状复杂，任何其他制造技术都无法快速制造)。
创新/价值-这种新的制造方法基于对各种材料和添加剂的正确选择和加工，以形成高性能、低成本的复合长丝原料(满足FDM工艺的必要要求)。最后，与标准长丝原料相比，新开发的长丝原料在RT和RM应用中无论定量和定性两方面均有优势。
关键词：快速制造；快速模具；熔融沉积成型；丝状材料；
1. 简介
快速成型(RP)又称实体自由成形(solid freeform manufacturing)，开始于20世纪80年代初，是在计算机辅助设计(CAD)软件的帮助下直接构建零件实体模型的技术和工艺。如今，市场上有各种各样的RP技术，如光固化(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、分层实体制造(LOM)、熔融沉积制造(FDM)、3D打印和桑德斯原型。所有这些技术都是通过加法制造原理构建物理模型、原型或功能部件，用于概念测试和评估。现今制造业的设计的产品生命周期和产品开发时间都较短，RP解决了过去十年工业的需求，成为快速开发新产品的工具。管理产品快速开发的技术取决于如何在任意产品开发周期中的四个可能目标之间做出良好的权衡，即开发速度、开发时间、开发成本和产品性能。术语开发速度和开发时间会多次重叠，因为它们或多或少是固有的流程属性。RP虽不能代替传统的制造工艺，但它是一种快速制造的替代方法，它提高了复杂几何零件的产品验证和加工效率，具有较高的尺寸精度。使用RP机器生产大、中批量产品的想法似乎不现实，因为产品周期、材料成本和设备的投资成本都高于传统工艺。虽然材料和成本仍然是主要的限制，但目前一些RP技术已经克服了这些缺点，并逐渐向快速制造(RM)领域发展。由于数控系统的改进和与多功能软件的集成，RM在小型制造业生产运行中越来越受欢迎。工艺和材料性能的持续改进将把分层制造(LM)技术扩展到RM。RM是直接的产品成型，最终的组件是直接从一个几何文件生成的，至少接近于净形状质量。为了适应材料、质量规格、产量、成本合格率等多种因素的组合，RM可能无法采用切片等独特的方法，它需要多方面混合的方法。RP向产品快速设计和制造以及产品快速开发的创新发展将继续创造设计和制造具有满足客户期望的广泛能力的产品的新环境。目前已经制定了使用RP制造生产工具的程序，并制定了效益模型，以证明RP作为一项技术在工业上的运用是合理的，RP可以分两个阶段进行:模拟设计和物理加工。模拟设计是在CAD辅助下对零件进行建模，物理相是CAD模型的无刀具加工。金属物体的RM可以通过各种技术来实现。RP技术(如CNC加工、叠层制造、粉末床技术和沉积技术)已经用于直接构建物理模型，而混合技术(如快速铸造和快速真空成型)则用于间接RM应用。本文主要研究了基于FDM的快速模具技术(RT)和RM技术。
2. FDM介绍
FDM是仅次于SLA的第二大最突出的分层制造技术。这种工艺用于直接生产最终产品，不需要使用任何限制传统制造工艺发展的工具或模具。该方法具有设计周期短、尺寸精度高、使用方便、易于与各种CAD软件集成等优点，得到了广泛的应用。FDM是一种AM技术，通常用于建模、原型制作和批量生产等方面。目前的实际应用包括概念模型、功能原型、制造工具和最终用途部件等。从组成材料的成分出发，制备了丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)塑料材料，用于真空成型、真空铸造、熔模铸造等最终用途。装配件用于设计验证、功能测试、医疗应用和铸造工艺模式。
2.1 FDM过程
FDM过程从CAD软件的零件建模开始。CAD文件以SLA文件格式保存。计算机软件处理stl文件并将部分模型转换为层的数量。从CAD模型到分层制造的转换是基于一个标准的曲面三角形算法。这个制造过程改变了传统制造的概念，即从减材变成了增材。软件中提供了低密度、高密度和固态的零件模型。STL 文件导出到FDM机器软件后，软件依次生成加工路径，根据这些生成的加工轨迹，头部在x-y平面上运动，并根据零件几何形状沉积材料。支撑部件的平台在z平面上垂直上下移动，在前一层的基础上开始沉积新的一层，在平台上沉积第一层基材，然后长丝原料开始制作部件几何形状。工作完成后，通过超声波振动等方法对基材进行去除。采用各种后处理技术，可进一步提高FDM生产零件的表面质量。
2.2 FDM过程的参数
FDM工艺的各种工艺变量是液化器的喷头温度、模型密度、伸缩比例、工件的定位和模型材料。喷头温度是根据基材和模型材料的类型设定的。FDM设备的最新版本可以加载12种不同类型的模型材料，每种材料都在特定的温度下进行加工。文献使用设备可根据所选模型材料自动调节液化器喷头温度。在FDM中有三个选项可用来构建模型。首先是制作低密度的模型，一般用于熔模铸造和轻量化应用的制模。二是中密度模型，用于设计验证和评价。第三种是实体模型制造，用于构造功能部件或最终用途部件。FDM有一个选项，可以在任意轴上缩放模型，部分可以在所有平面(XY, YZ和ZX)的任意方向上构建。
2.3 FDM材料
目前，FDM工艺的材料种类繁多，在航空航天企业、医疗器械企业和有限汽车制造企业的应用范围不断扩大。FDM材料分为标准材料和应用特定材料。
2.3.1标准材料
FDM工艺的标准原材料为ABS、聚乳酸(聚乳酸)、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚乙烯、PP。这些材料因其高强度和耐热性而被使用。ABS是生产功能原型常用的工程材料。
2.3.2 特殊应用的材料
RP技术在RT和RM上的应用促进了复合材料的发展。FDM设备能够制造出强大的复合部件，因为复合原料细丝的部分或全部熔融，连续的扫描路径和分层之间形成了粘结。一些高校和研究机构正在开发新的金属和陶瓷材料，利用FDM快速制造具有更高机械性能、耐热性和耐磨性能的功能部件。蜡、纸、尼龙、玻璃填充尼龙、金属填充尼龙、金属填充ABS、陶瓷等多种材料均有不同研究者的报道。美国罗格斯大学在陶瓷(FDC)和金属的熔融沉积方面进行了大量的研究。他们使用该工艺制造各种陶瓷和金属材料的功能部件，如硝酸硅、氧化锆钛酸铅、氧化铝、羟基磷灰石和不锈钢，用于各种结构、电陶瓷和生物陶瓷。弗吉尼亚理工大学的研究员开发了一种用于FDM的高性能热塑性复合材料，其中包括液晶聚合物纤维(通过在玻璃或熔点上方加热聚合物)，并将其用于FDM系统中制造原型部件。
该材料的拉伸模量和强度约为ABS的四倍。以聚丙烯(PP)与陶瓷粉末如莫来石、熔融二氧化硅、二氧化钛、氧化铝等陶瓷粉末混合制备FDM长丝原料。加入增粘剂、弹性体、增塑剂、蜡等添加剂，控制长丝的柔韧性、刚度、粘度、强度等各项性能。利用聚乳酸和磷酸三钙作为可吸收复合材料是目前组织工程和颌面外科领域的最新应用发展。文献对聚乳酸应用于FDM工艺的适用性进行了评估，观察材料的特异性效应，并对半晶状可降解生物材料进行了热、力学和微观分析表征。PLA/ TCP的组件具有足够的力学性能，可用于制作支架。利用增强的纳米颗粒的聚酰胺或尼龙纤维为复合材料，制备FDM的打印材料。对打印材料的拉伸试验表明，与纯p6丝相比，增强的纳米颗粒p6丝的平均屈服强度和杨氏模量分别提高了3-173%和9-90%。复合长丝的热稳定性和机械强度均优于纯p6长丝。
文献研究了一种新型以填充铁粉的ABS和粘结剂粉末为原料的聚合物基复合材料。填充铁粉的高粉体负荷影响了PMC材料的硬度、拉伸强度和抗弯强度。FDM系统中使用的聚碳酸酯材料的拉伸性能受空气间隙、网格宽度和网格角等工艺参数的影响。结果表明，FDM制件的拉伸强度在70% ~ 75%的模压PC件需求范围内。FDM技术提供了利用包括复合材料在内的多种材料生产功能部件的潜力，也可用于指导RT技术。文献对含铁粉末的尼龙复合材料进行了实验研究，该复合材料的长丝原料是在螺杆挤出机上生产的，无需改变FDM系统的软硬件即可直接使用。复合材料比ABS材料具有更高的机械性能和热性能。以PCL、MMT、和HA为填料的新型高分子纳米复合材料可作为FDM的替代材料，与PLA相比，PCL具有生物可吸收性，在普通条件下更稳定、便宜，也更容易获得。对于FDM的应用，PCL等生物材料已经被许多研究者研究报导，还提供各种医用级材料，可根据RP模型在不同医学应用中的使用情况制作RP模型。
2.4 改进的FDM材料
许多研究员对现有的FDM系统进行了改进，开发了一种新的陶瓷和金属零件生产系统。Jorge等对FDM 3000系统进行了改进，实现了对共晶Bi58Sn42和非共晶Sn60Bi40材料的可控沉积，并直接为夹具、电铸芯、封装模具、电子连接应用和三维打印电路制作金属零件。商用FDM受到丝材使用的限制，基于FDM技术的新型挤压系统的开发，拓宽了挤压材料的选择，如陶瓷挤压。该系统具有高精度的定位系统，可以大范围运用颗粒状的散料，而不是采用更常见的丝材，使FDM成为不同产品可行的替代工艺。Choi等通过修改标准FDM系统，开发了新的柔性FDM系统，该系统几乎可以在任意自由曲面上构建零件，并通过拉伸试验验证了该系统的能力。Cunico等通过设计实验研究了一种新型快速原型系统的功能可行性。，计算机数控和沉积头两部分，被发现是可行的构建零件方法，这项研究可以扩展到确定其商业可行性。David开发了一种独特的利用离散材料或打印过程变化制造零件的FDM系统。与标准FDM系统相比，该制造系统打印的零件表面光洁度更高，所需的周期更短。本文献还总结了通过修改FDM系统来生产零件的制造装备、最终用途等方面的应用。尽管零部件具有较高的机械强度、热稳定性和耐磨性，但要在这些系统中集成不同的技术以提高尺寸稳定性，还需要进一步的研究。AM技术中的表面光洁度一直以来都是研究难点，金属和陶瓷零件的后处理技术仍需要发展，以改善打印零件的表面光洁度。
3. 后处理技术
后处理技术是指利用FDM工艺制造零件后，为提高零件表面光泽度、尺寸精度、加工性能和透射率而进行的后续加工。尽管FDM工艺有很多优点，但最终制备的零件表面粗糙度较差。通过设计实验，研究打印方向、层厚、打印间距、空气间隙和模型温度等参数的影响，利用FDM工艺确定了打印方向的最优表面光洁度。表面粗糙度可以通过经验和理论研究来预测。实证研究了层厚、打印方向、打印间距、网格角度等工艺参数对表面粗糙度值的影响。理论研究通过假设线材轮廓、截面形状、表面角度、层厚和相邻层之间的重叠来表示模型的平均粗糙度。建立了热加工FDM零件表面粗糙度的半经验模型，该模型表面光洁度为0.3mu;m，置信度为87%。这种复合方法改善了RP部件的表面光洁度和功能。
文献在实验基础上进行了实验分析，研究了多种因素对形状轮廓的影响，可以计算出粗糙度参数集。通过光刻蚀、激光加工或金刚石铣削等方法，宏观纹理很容易添加到金属零件和模具上，但这些技术并不适用于分层塑料原型，需要特殊的后加工技术。在分层制造中，零件在CAD模型的切片是重要的步骤之一。利用较小的切片厚度对CAD模型进行切片，可以改善零件表面光洁度，但会耗费较多的打印时间。同时，如果选择较大的切片厚度，由于台阶效应，零件表面光洁度很差。减少打印时间和改善表面质量一直是分层制造中的主要问题，并促进了切片程序的发展，研究员开发了各种切片方法。本文提出了一种可以用数学术语加厚表面的公式。一种使用熔融沉积模型在同一环境中生成虚拟实体和打印文件的快速成型工具过程。在这个过程中可以选择添加近似的加工条件，如三角形和网格特点。遗传算法在检测用以上方法无法获得最优解的切片时非常有效，并能找到连接切片轮廓点的最小路径。利用实验室开发的加减制造系统实现并测试了层厚算法，该算法在考虑多种几何形状的情况下，能够有效地确定板料加工的合适层高。利用该系统成功地创建了几种砂型，与传统的制造方法相比有了显著的改进。
影响FDM零件表面质量的因素有:台阶效应;机器精度;送料效率;退火凝固和冷却引起的收缩和残余应力;
FDM打印模型的表面粗糙度参数可以通过轮廓测量和微观分析来预测。给出了三维轮廓的理论模型，该模型是工艺参数和零件形状的函数。文献设计了一个合适的几何模型进行验
资料编号：[4546]
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