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摘要：成形件的精度是制约快速成形技术的主要因素之一。本文先简要介绍了快速成形技术中的熔融沉积成形的基本原理，进而详细分析了在成形过程中，材料性能、喷头温度和成形室温度、挤出速度、填充速度、丝的宽度和成形时间等因素对精度的影响，并在此基础上，提出了提高成形件精度和表面质量的一系列措施，在熔融沉积中有较高的应用价值。 关键词：快速成形技术；熔融沉积；FDM 1 引言 熔融沉积成形是快速成形技术中的一种，其工作原理如图1所示。它有两个喷嘴，一个用来喷模型材料，一个用来喷支撑材料。喷头可在xy平面内沿着零件的截面轮廓和填充轨迹运动，材料在喷头内加热到一定程度，就从运动的喷头里挤压出来实现堆积成形。 FDM是一个涉及CAD/CAM、数据编程、材料编制、材料制备、参数设置及后处理等环节的集成制造过程，每一个环节都会引起误差。这些误差严重影响了FDM原形件的精度，并阻碍了它在快速成形技术及功能零件制造中的进一步应用。 在FDM过程中的许多参数及参数之间的相互作用都会影响成形件的精度。本文通过试验分析了在FDM成形过程中影响精度的主要因素，并提出了一系列相应的提高其成形件精度和表面质量的措施。 2 FDM成形过程影响因素分析 在FDM成形过程中影响成形件精度的因素有很多种，然而，实践表明，尽管各种因素对成形件精度和成形时间都有或多或少的影响，但起主要作用的还是少数几个。以下就详细阐述这几个主要因素单独或交互作用时对成形件尺寸、几何精度以及表面粗糙度的影响。 1 材料性能的影响 材料性能的变化直接影响成形过程及成形件精度，材料在过程中要经过固体－熔体－固体的两次相变，在凝固过程中，由材料的收缩而产生的应力变形会影响成形件精度。如ABS树脂，其收缩的因素主要有两点：一是热收缩。即材料因其固有的热膨胀率而产生的体积变化，它是收缩产生的最主要原因。由热收缩引起的收缩量dl＝δ×l×dt，其中δ为材料的线膨胀系数（/℃），l为零件尺寸（mm），dt为温差（℃）。二是因分子取向的收缩。成形过程中，熔态的ABS分子在填充方向上被拉长，又在随后的冷却过程中产生收缩，而取向作用会使堆积丝在填充方向的收缩率大于与该方向垂直的方向的收缩率。我们在计算收缩率时一般是先计算出材料在某一线性方向的收缩率即线性收缩率，然后再算出体积收缩率。假定材料具有完全各向同性，则线性收缩率与体积收缩率之间的关系为SL=(1+SV)1/3-1 (0 2 喷头温度和成形室温度的影响 喷头温度决定了材料的粘结性能和堆积性能、丝材流量以及挤出丝宽度。喷头温度太低，则材料粘度加大，挤丝速度变慢，这不仅加重了挤压系统的负担，极端情况下还会造成喷嘴堵塞，而且材料层间粘结强度降低，还会引起层间剥离；而温度太高，材料偏向于液态，粘性系数变小，流动性强，挤出过快，无法形成可精确控制的丝，制作时会出现前一层材料还未冷却成形，后一层就加压于其上，从而使得前一层材料坍塌和破坏。因此，喷头温度应根据丝材的性质在一定范围内选择，以保证挤出的丝呈熔融流动状态。试验表明，对改性聚丙稀这种材料，喷嘴温度应控制在230℃左右。 成形室的温度会影响到成形件的热应力大小，温度过高，虽然有助于减少热应力，但零件表面易起皱；而温度太低，从喷嘴挤出的丝骤冷使成形件热应力增加，容易引起零件翘曲变形，由于挤出丝冷却速度快，在前一层截面已完全冷却凝固后才开始堆积后一层，这会导致层间粘结不牢固，会有开裂的倾向。试验证明，为了顺利成形，应该把成形室的温度设定为比挤出丝的熔点温度低1~2℃。 3 挤出速度的影响 挤出速度是指喷头内熔融态的丝从喷嘴挤出的速度，单位时间内挤出丝的体积与挤出速度成正比。在与填充速度合理匹配的范围内，随着挤出速度的增大，挤出丝的截面宽度逐渐增加，反映在图2（a）~(c)上的区域1-1扩大到2-2、3-3，当挤出速度增大到一定值后截面形状将如图2（d）所示，即挤出的丝粘附于喷嘴的外圆锥面，而不能正常加工。 图（2）FDM挤出速度对丝截面的影响4 填充速度与挤出速度交互的影响 填充速度应与挤出速度匹配，填充速度比挤出速度快，则材料填充不足，出现断丝现象，难以成形。相反，填充速度比挤出速度慢，熔丝堆积在喷头上，使成形面材料分布不均匀，表面会有疙瘩，影响造型质量。因此，填充速度与挤出速度之间应在一个合理的范围内匹配，填充速度v t、挤出速度vj应满足vj/v t∈[ɑ1 ɑ2]，其中ɑ1为成形时出现断丝现象的临界值，而ɑ2为出现粘附现象的临界值。 5 丝的宽度的影响 FDM是靠喷嘴挤出细丝堆积成实体的，细丝被挤压堆积后就有一定的宽度，这一宽度也直接影响成形实体的精度。细丝的宽度（W）与原始丝的直径（d）、层厚（δ）、进丝速度（V进丝）及填充速度（Vt）有关，其关系可表示为W＝V进丝πd2/4Vtδ。为了克服丝的宽度对成形精度的影响，可在CAD造型时，根据丝的宽度进行补偿计算，使成形精度达到满意的效果。 6 成形时间的影响 每层的成形时间与填充速度、该层的面积大小及形状的复杂度有关。若层的面积小，形状简单、填充速度快，则该层成形的时间就短；相反，时间就长。在加工时，控制好喷嘴的工作温度和每层的成形时间，才能获得效果精度较高的成形件。笔者在反复的试验中总结出：在加工一些截面很小的实体时，由于一层的成形时间太短，往往难以成形，因为前一层还来不及固化成形，下一层就接着再堆，将引起“坍塌”和“拉丝”的现象。为了消除这种现象，除了要采用较小的填充速度，增加成形的时间外，还应在当前成形面上吹冷风强制冷却，以加速材料的固化速度，保证成形件的几何稳定性。而成形的面积很大时，则应选择较快的填充速度，以减少成形的时间，这一方面能提高成形效率，另一方面还可减小成形件的开裂倾向，因为成形时间太长时，前一层截面已完全冷却凝固才开始堆积后一层，将会导致层间粘接不牢固。 3 结论 由以上分析可知，在FDM成形过程中，影响成形件精度主要因素有：1）材料的性能。2）温度，包括喷嘴的温度和成形室的温度。3）挤出速度。4）挤出速度与填充速度的匹配。5）丝的宽度。6）每层的成形时间。对于某次具体的成形加工，喷嘴孔直径、分层厚度及线膨胀系数都是确定的，但可通过调节挤出速度、填充速度及喷头和成形室的温度等，就可以得到能满足正常成形要求的挤出丝截面形状，从而获得精度较高的成形件。 参考文献： [1] 徐安平RP技术及其在新产品开发中的应用 湖北工业大学 [2] 邹国林 郭东明 贾振元FDM出丝过程影响因素分析 大连理工大学 [3] 邹国林 郭东明 贾振元 刘顺福 熔融沉积制造参数的优化 大连理工大学 [4] 陈中中 李涤尘 卢秉恒 气压式熔融沉积快速成形系统 西安交通大学 作者 何新英，女，（1979－），硕士研究生，华中科技大学材料科学与工程学院（武汉，430074） 陶明元，男，高工，硕士生导师，华中科技大学材料科学与工程学院（武汉，430074） 叶春生，男，副教授，硕士生导师，华中科技大学材料科学与工程学院（武汉，430074） Email：he_ 电话：027－87541145（转）804 地址：华中科技大学主校区快速成形中心 
吹塑，这里主要指中空吹塑 ( 又称吹塑模塑 ) 是借助于气体压力使闭合在模具中的热熔型坯吹胀形成中空制品的方法，是第三种最 常用的塑料加工方法，同时也是发展较快的一种塑料成型方法。吹塑用的模具只有阴模 ( 凹模 ) ，与注塑成型相比，设备造价较低，适 应性较强，可成型性能好 ( 如低应力 ) 、可成型具有复杂起伏曲线 ( 形状 ) 的制品。吹塑成型起源于 19 世纪 30 年代。直到 1979 年以后，吹塑成型才进入广泛应用的阶段。这一阶段，吹塑级的塑料包括：聚烯烃、工程塑料与弹性体；吹塑制品的应用涉及到汽车、办 公设备、家用电器、医疗等方面；每小时可生产 6 万个瓶子也能制造大型吹塑件 ( 件重达 180kg) ，多层吹塑技术得到了较大的发展； 吹塑设备已采用微机、固态电子的闭环控制系统，计算机 CAE/CAM 技术也日益成熟；且吹塑机械更专业化、更具特色。 1 吹塑成型方法 1 成型方法 不同吹塑方法，由于原料、加工要求、产量及其成本的差异，在加工不同产品中具有不同的优势。详细的吹塑成型过程可参考文献。 这里从宏观角度介绍吹塑的特点。中空制品的吹塑包括三个主要方法：挤出吹塑：主要用于未被支撑的型坯加工；注射吹塑：主要用于由 金属型芯支撑的型坯加工；拉伸吹塑：包括挤出一拉伸一吹塑、注射一拉伸一吹塑两种方法，可加工双轴取向的制品，极大地降低生产成 本和改进制品性能。此外，还有多层吹塑、压制吹塑、蘸涂吹塑、发泡吹塑、三维吹塑等。但吹塑制品的 75 ％用挤出吹塑成型， 24 ％ 用注射吹塑成型， 1 ％用其它吹塑成型；在所有的吹塑产品中， 75 ％属于双向拉伸产品。挤出吹塑的优点是生产效率高，设备成本低， 模具和机械的选择范围广，缺点是废品率较高，废料的回收、利用差，制品的厚度控制、原料的分散性受限制，成型后必须进行修边操 作。注射吹塑的优点是加工过程中没有废料产生，能很好地控制制品的壁厚和物料的分散，细颈产品成型精度高，产品表面光洁，能经济 地进行小批量生产。缺点是成型设备成本高，而且在一定程度上仅适合于小的吹塑制品。 中空吹塑的工艺条件，要求吹胀模具中型坯的压缩空气必须干净。注射吹塑空气压力为 55 ～ 1MPa ；挤出吹塑压力为 2l ～ 62MPa ，而拉伸吹塑压力经常需要高达 4MPa 。在塑料凝固中，低压使制品产生的内应力低，应力分散较均匀，且低应力可改进制品的 拉伸、冲击、弯曲等性能。 2 制品种类吹塑制品有容器、工业制件两类。其中容器包括：包装容器，大容积储桶 / 储罐，以及可折叠 容器。但随着吹塑工艺的成熟，工业制件的吹塑制品越来越多，应用范围也日益广泛。目前，容器约占 80 ％的市场份额，每年增长 4 ％ 左右；而工业及结构用制品占总量的 20 ％，每年增长速度为 12 ％。容器消耗量的增长在于可旋扭塑料容器的应用范围不断扩大，工业 用制品的消耗量增长主要是由新型加工技术的改进所致，如多层型坯挤出、双轴挤出、非轴对称吹塑等。表 2 列出了部分吹塑制品的应用 及其性能要求。 3 吹塑成型进展 (1) 原材料聚合物在成型过程中，首先通过口模时受高剪切力作用，然后物料呈现挤出膨胀及垂缩现象，在形成下垂的型坯时，其膨胀率 接近为零。接着型坯被吹胀紧贴在模具上，这时呈现低的膨胀率。过度的口模膨胀会产生废品。过度的垂缩导致制件的顶端到底部壁厚厚 度不均匀，严重的甚至不能成型。因此，在选择适合吹塑的聚合物时，必须弄清其剪切及膨胀的粘弹特性。 HDPE 由于热稳定性好，又有 多种改性产品，因而成为吹塑成型中应用最广泛的塑料。通过共聚和共混作用，对吹塑成型用原材料的研究在连续挤出吹塑级树脂方面也 取得了一些进展，如 PA6 、 PP 和 PET 。间歇式型坯吹塑成型，理论上适用于结构板材和大型制件的二次加工，要求使用工程塑料，如 阻燃型 ABS 、增强 PVC 、改性 PPO 和 PC 等，而这类挤出型塑料的耐高温性能一般较差，仅有少数树脂可在常规设备上吹塑成型大型制 件。在聚萘二甲酸乙二酯 (PEN)/PET 共混料吹塑成型时，需将防氧渗透和防水气渗透的树脂如 ( 乙烯 / 乙酸乙烯醇 ) 共聚物 (EVOH) 和 HDPE 与 PET 形成复合层，并产生锚联层，以改善 PEN/PET 料的渗透性和热稳定性。目前正研究将 HDPE 与 PA6 采用多层吹塑成型， 生产燃油油箱。 (2) 设备与工艺技术进展 吹塑机械设备已有很大的改进。较新的成果有： ①采用改进型红外加热技术进行再吹塑成型； ②非常高速的旋转挤塑压力，主要应用在牛奶瓶的生产上； ③模具附设在梭式压机上以补偿喷流现象； ④多层连续挤出吹塑成型防渗透性容器； ⑤通过对取向结晶和热结晶、预成型坯和模温、吹气压力，以及型坯在模腔内停留时间的严格控制，进行连续性热定形 PET 瓶的生 产。 由于市场对复杂、曲折的输送管材制件的需求，推动了偏轴挤出吹塑技术的开发，这种技术笼统称为 3D 或 3 维吹塑成型。 理论上，该工序十分简单，型坯挤出后，被局部吹胀并贴在一边模具上，接着挤出机头或模具转动，按已编的 2 轴或 3 轴程序转 动。难点在于要求具有非常大的惯性量的大型吹塑机械在高速合模时误差要低于 10 ％。多层吹塑成型工艺常用于加工防渗透性容器，其改进工艺是增设一个阀门系统，在连续挤出过程中可更换塑料原料，因而可交替生产出硬质和软质制品。生产大型制件如燃油箱或汽车外 结构板材时，在冷却过程中需降低模腔内压力以调整加工循环周期。解决方法是先将熔料储存在挤出螺杆前端的熔槽中，再在相当高速下 挤出型坯，以最大限度减少型坯壁厚的变化，从而确保消除垂缩和挤出膨胀现象。 储料缸式机头改进，使之能挤出热敏性塑料如 ABS — R 、改性 PPD 和 PVC 。而且，重新设计的机头，在生产中可快速装拆以方便 清理塑料，同时，对塑料的流变特性分析及计算机流道分析可设计流线型流道，以便于热敏性塑料的成型。 (3) 控制程序及吹塑模拟型坯的程序控制已有数十年的经验。 主要问题是型坯可拉坯变薄的最薄程度 ( 如瓶颈部位 ) ，增厚的型坯拉坯的最大程度 ( 如容器瓶体或边角部位 ) ，以及设计一个 壁厚度变化部位，例如凹边和瓶肩等。其工作重点应集中在所使用塑料的粘弹性特性上。对试管状的预成型坯壁厚的预测，也就是设计具 有防渗透作用的型坯最佳壁厚厚度的选择依据。这是由预成型坯的结晶程度，所使用塑料与温度相关的应力一应变弹性特性，以及由注塑 加工形成的冻结应力程度和分布等情况来决定的。 1980 年， GE 公司就为热成型和吹塑成型开发了： PITA 程序设计。 型坯吹塑成型的控制软件必须综合考虑如下因素：不均匀的型坯壁厚；型坯截坯口和环绕型吹塑管材截口；在合模前预先吹胀型坯； 吹胀过程控制和截坯口开设的部位；以及结构件吹塑成型中对型坯边缘的裁切定位等。目前，商业化的吹塑成型模拟软件主要有原美国的 ACTech 公司的 C — PITA 、比利时的 POLYFLOw 等。数值模拟的难度在于：大应变、非线性材料行为、接触问题以及膨胀过程中一些物 理非稳定性，而这些复杂性将导致产生一系列需要迭代求解的非线性方程。其中，材料、吹塑成型机理的研究一直是研究的难点、热点， 如拉伸吹塑被广泛应用，但对该过程的模拟所需要的应力诱导结晶的数学描述，到目前为止尚无合适的方法。而挤出吹塑的型坯，是聚合 物熔体流经环形模头时形成的，环形管道的几何形状和材料的粘弹性质将直接影响型胚膨胀，现有的粘弹性知识还无法描述这个过程。 与相对成熟的注塑 CAE 技术相比，吹塑成型软件目前正处于发展的初期阶段。 4 吹塑成型的发展趋势 吹塑将随着市场对其制品的需求，在材料、机械、辅助设备、控制系统、软件等方面有如下发展趋势。 (1) 原材料为满足吹塑制品的功能、性能 ( 医药、食品包装 ) 要求，吹塑级的原料将更加丰富，加工性能更好。如 PEN 类材料，不仅强 度高、耐热性好、气体阻隔性强、透明、耐紫外线照射，可适用于吹制各种塑料瓶体，并且填充温度高，对二氧化碳气体、氧气阻隔性能 优良，且耐化学药品。 (2) 制品包装容器、工业制品将有较大增长，而且注射吹塑、多层吹塑会有快速的发展。 (3) 吹塑机械及设备吹塑机械的精密高效化；辅助生产 ( 操作 ) 设备的自动化。“精密高效”不仅指机械设备在生产成型过程中具有较 高的速度和较高的压力，而且要求所生产的产品在外观尺寸波动和件重波动方面均能达到较高的稳定性，也就是说生产制品各个部位的尺 寸和外形几何形状精度高，变形及收缩小，制品的外观及内在质量和生产效率等指标均要达到较高的水准。辅助操作包括去飞边、切割、 称重、钻孔、检漏等，其过程自动化是发展的趋势之一。 (4) 吹塑成型模拟吹塑机理的研究更加深入，吹塑模拟的数学模型的合理构建，数值算法的快速、准确是模拟的关键，吹塑成型模拟将会 在制品质量预测、控制中发挥越来越重要的作用。 2 影响吹塑制品质量的因素及常见缺陷的排除 1 吹塑成型的影响因素 下面从吹塑成型过程分析各个阶段的成型参数。吹塑成型过程可分为四个阶段： (1) 型坯形成阶段聚合物在挤出机中的输送、熔融、混炼、泵出成型为型坯的形成阶段；在这一阶段，影响壁厚分布的主要工艺参数有： ①材料的分子量分布、平均分子量； ②吹塑机的温度控制系统和螺杆转速，其中温度控制系统包括料斗温度，料筒 1 区、 2 区、 3 区、 4 区温度，法兰温度，以及储 料模头 1 区、 2 区、 3 区、 4 区温度。 (2) 型坯下料阶段型坯从模唇与模芯的间隙中挤出为下料阶段。此时，型坯离模膨胀和型坯垂伸这两种现象影响型坯成型。影响壁厚分布 的主要工艺参数是吹塑机的模头直径和壁厚控制系统，其中控制系统包括轴向壁厚控制系统和周向壁厚控制系统，以调整模唇与模芯的间 隙。 (3) 型坯预吹阶段为避免型坯内表面的接触、粘附，改善制品壁厚的均匀性，要对型坯进行预吹胀。在型坯预吹阶段，从型坯下方往型坯 内喷气，以护持型坯，减小其垂伸。在这一阶段，影响壁厚分布的主要工艺参数有：预吹压力、预吹时间。 (4) 型坯高压吹阶段高压吹胀型坯，使之贴紧模具型腔，实现产品塑性成型阶段。该阶段，影响产品成型的是型坯受高压吹胀变形、型坯 与模腔接触变形。而影响壁厚分布的主要工艺参数有：材料的收缩率；吹气压力、时间；模具材料、结构、模具排气系统以及模具冷却系 统，如冷却水道分布、冷却水进水温度等。尽管影响吹塑制品质量的因素较多，但当生产条件、制品要求确定后，调整吹塑工艺参数能有 效改善制品质量。优化的工艺参数可以提高生产效率，降低原材料消耗，优化产品的综合性能。 2 吹塑成型工艺条件的设定 工艺条件调整的目的是，在满足产品最小壁厚要求的基础上，产品壁厚尽可能均匀，产品件重尽可能小 ( 减少材料消耗 ) 。工艺参 数设定的合理方法是，将经验与数值分析技术结合。基本过程为， ①利用已建立的计算机模型，模拟吹塑模具、下料型坯、夹料板等状态； ②输入各阶段对型坯壁厚分布影响的参数； ③对得到的模拟结果进行分析，通过计算机模拟显示哪些部位壁厚达不到要求，而哪些部位壁厚超厚； ④利用人工经验，调整输入的参数，重复①～③的过程，保证产品各部位在达到最小壁厚的前提下，尽可能减小产品各部位壁厚。 ⑤对多个工艺方案的结果分析、比较，最终确定优化的工艺参数。拉伸吹塑又称双轴取向吹塑，是在聚合物的高弹状态下通过机械方 法轴向拉伸型坯、用压缩空气径向吹胀 ( 拉伸 ) 型坯以成型包装容器的方法。拉伸吹塑有一步法、二步法。 3 吹塑成型常见的制品缺陷及其改进这里给出挤出吹塑成型、注射吹塑成型、拉伸吹塑成型常见的问题、产生的原因及解决办法。 (1) 挤出吹塑挤出吹塑是挤出成型最主要的成型方法。有连续挤出和不连续挤出两种方法。表 5 给出挤出吹塑常见制品缺陷及改进方法。 (2) 注射吹塑注射吹塑是先用注射法制成有底型坯，再将它吹移至吹塑模具中成型中空制品。注射吹塑可对制品进行精确的控制，能生产 无刮痕、精度高、表面光滑的制品，无需二次加工；其中制品的件重可控制在± 0 ． 1g ，螺纹的精度可为± 100 μ m 。注射吹塑常见制 品缺陷及改进方法见表 6 。 (3) 拉伸吹塑 3 结语 吹塑成型技术是随着塑料工业、机械制造等多种技术的进步而不断发展的，在吹塑产品的设计、生产过程中，不断融人现代设计思 想、设计工具，工程技术人员应充分利用先进的设计理念，结合人工经验，使制品设计、制造各个环节的效率提高，从而提高吹塑制品的 质量及市场竞争能力。
材料成型及控制工程这个专业在国内主要分三个大方向：一，金属材料的热处理及铸造 二，焊接及焊接工艺 三，机械加工
材料成型及控制工程（材料加工控制及信息化方向） 培养目标：培养具备材料加工基本原理、计算机控制及信息学科的知识和技能，掌握材料加工成形过程的自动化与人工智能、专家信息系统的建立与开发、机械零件及工模具的计算机辅助设计与制造、新材料制备与加工、先进成形加工技术与设备、材料组织与性能的分析及控制等专业知识，能够从事材料加工、计算机和信息技术应用领域的产品和技术开发、设计制造、质量控制、经营管理等方面的高级工程技术人才。 主要课程：材料科学基础、材料成型原理、材料组织与性能控制原理、先进材料加工技术、现代材料表面工程学、计算机辅助设计与制造、模具CAD/CAM、计算机数值模拟技术、控制工程基础、数控原理与编程、检测技术与控制工程基础、计算机网络与专家信息系统在材料加工中的应用、材料加工企业管理及计算机信息系统、材料加工品质分析与控制、材料微观分析及计算机图像处理。 就业方向：可在电子信息产品制造业、机械制造行业、汽车制造业等领域从事各种材料加工与制备、计算机和信息技术应用于材料加工工艺与控制、工模具的计算机辅助设计与制造、技术与产品研发、质量控制、经营管理、商品检验及技术监督等方面的工作，亦可在教育科研、商业贸易和专业咨询等部门广泛就业。
