[发明专利]一种基于FDM技术的数控成型设备

说明书

技术领域

本发明属于工业制造技术领域，涉及一种基于熔融堆积(FDM)技术的数控成型设备，用于模具制造、非标准件生产、复杂构造体加工等相关工业制造领域。

背景技术

FDM技术，即熔融层积技术，Fused Deposition Modeling的简称，又可以称为熔融堆积技术，是快速成型技术的一种。这种技术的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，使用线材供料。

FDM技术现主要用于3D打印机等制造设备上，基于FDM的3D打印机的工艺原理主要利用细丝状原材料以及可熔的支撑材料从位于材料舱室的自动加载器向上传送到挤压头。在挤压头部，材料加热到半液态，经过两个挤压喷头嘴的挤压，挤出半流动的材料，在成形基底上沉积成非常精确的薄层。打印头在坐标轴X、Y方向移动，沉积基底沿着Z轴下降，成形好的原型及其支撑材料从下向上层层沉积。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构－“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。

这种技术不用激光，使用、维护简单，成本低。用ABS制造的原型因具有较高强度，在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC，PC/ABS，PPSF等更高强度的成形材料，使得该技术有可能直接制造功能性零件。由于这种技术具有一些显著优点，该技术发展极为迅速，目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30％。

FDM增材制造技术优势主要在于:(1)、没有易损件，维护简单，运行成本和维护成本低。(2)、塑料丝材，容易清洁，更换，保存：与其他使用粉末和液态材料的技术相比，丝材更加清洁，易于更换、保存，不会在设备中或附近形成粉末或液体污染。(3)、后处理简单：仅需要几分钟到一刻钟的时间剥离支撑，原型即可使用。而现在应用较多的SLA，SLS，3DP等技术均存在清理残余液体和粉末的步骤，并且需要进行后固化处理，需要额外的辅助设备。这些额外的后处理工序一是容易造成粉末或液体污染，二是增加了几个小时的时间。(4)、成型速度较快：FDM技术可通过减小原型密实程度的方法提高成型速度。通过试验，具有某些结构特点的模型，最高成型速度已经可以达到60立方厘米/小时。通过软件优化及技术进步，预计可以达到200立方厘米/小时的高速度。(5)、材料性能好，一直是FDM技术的主要优点：其ABS原型强度可以达到注塑零件的三分之一，近年来又发展出PC，PC/ABS，PPSF等材料，强度已经接近或超过普通注塑零件，可在某些特定场合(试用，维修，暂时替换等)下直接使用。在塑料零件领域，FDM技术是一种非常适宜的快速制造方式。

现有FDM技术3D打印机在成型过程中仍存在以下缺点：底板相对挤出喷口均具有三个自由度，即可沿X/Y/Z三个方向移动，每层均为二维图形，延Z轴向上逐层堆叠形成三维构件。成型底面的选择对切片方式和成型过程存在很大影响，构件的探出部分、中空壳体、孔洞等结构往往需添加支撑才可进行打印过程，且在加工过程中容易发生变形。制造出的构件在力学性能上呈现各向异性，构件的层间抗剪切、拉伸的能力很弱，这也制约了现有FDM技术3D打印机对复杂受力构件的加工成型。

在使用现有FDM成型设备进行构件加工时，为避免或优化这些问题，往往需要在构件设计时避免某些复杂形状的出现，成型工艺的单一也因此限制制约了利用增材制造进行零件加工的设计方法的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，公开了一种基于FDM技术的数控成型设备，本发明从机械结构设计到FDM成型加工的过程进行优化，减少FDM技术工艺要求，提供一种工艺性好、适合工业原型制造、以熔融堆积为核心技术的数控成型设备。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于FDM技术的数控成型设备，包括X-Y-Z轴向平移组件、A-B-C轴向旋转组件和电控组件；所述X-Y-Z轴向平移组件包括底座、框架、材料挤出机、X向线性导轨、Y向线性导轨、Z轴升降台和Z轴螺杆步进电机；所述A-B-C轴向旋转组件包括A轴电机座、A轴步进电机、B轴电机转座、B轴步进电机、C轴电机支架、C轴步进电机和工作底盘；

上述的A轴电机座固定在Y向线性导轨的滑块上，A轴步进电机安装在A轴电机座上，驱动B轴电机转座绕A轴转动；B轴步进电机安装在B轴电机转座上，驱动C轴电机支架绕B轴转动；C轴步进电机安装在C轴电机支架上，驱动工作底盘绕C轴转动。