第7節-FDM工具簡介

複合材料工裝的增材製造從根本上改變了製造複雜中空複合材料零件的方法。雖然目前具有恒定橫截面的基本形狀可以使用傳統的複合材料製造技術和FDM工具，具有中空內部的複雜複合材料零件（被困的工具幾何形狀）帶來了獨特的挑戰。FDM根據應用程式的要求為這些挑戰提供了多種解決方案。ST-130是一種可溶性物質固化溫度極限為250°F（121°C），可直接生產用於中空和高度使用溶解在鹼性（>7 pH）溶液中的熱塑性材料的複雜複合材料部件。

此解決方案消除了許多使用共晶鹽、可折疊硬質工具、可充氣氣囊製造的複合材料的設計和製造限制，以及其他犧牲工具材料和方法。Stratasys開發了一份全面的設計指南“複合材料零件製造”（www.stratasys.com/landing/desolative tooling），介紹了ST-130在高效、經濟高效的沖洗工具方面的應用。

第8節-用於檔處理的FDM洞察軟體

CAD檔必須使用Insight軟體進行處理，然後才能列印。這允許用戶自定義工具路徑以改進（或修改）最終性能。此軟體隨附Fortus 3D印表機的安裝。提供Insight的正式培訓。參觀Stratasys.com/customersupport/training註冊或獲取更多資訊。以下各節旨在作為基本命令，而不是作為正式類的替代品。

準備檔的工作流程是：

1.導入STL檔

2.選擇印表機、材料和尖端尺寸

3.切片部分

4.添加支撐材料

5.生成刀具路徑

6.驗證刀具路徑

7.估算時間

8.發送到印表機

Open Insight軟體。

圖8-1：Insight軟體打開後的主螢幕。

主要命令可以在螢幕的左上角找到。從“確定零件方向”圖示開始，從左向右移動。“全部執行”命令用於簡單的幾何圖形，並自動處理整個檔。不建議將此功能用於複合工具，因為性能取決於自定義的工具路徑。

圖8-2:Insight軟體的工作流命令。

導入STL

Insight只允許導入擴展名為“.stl”的檔。大多數CAD軟體都能夠以STL格式導出。通過選擇“檔”、“打開”和“選擇.STL檔”來導入檔。

選擇印表機、材料和切片高度

1.選擇印表機、材料和切片高度，方法是選擇螢幕。

螢幕中間將出現一個新菜單。

2.首先選擇Modeler類型以選擇印表機。

3.單擊“模型”材質以選擇材質類型。

4.支撐材料選項取決於所選擇的模型材料。在這種情況下，由於模型材料是ULTEM 1010樹脂，因此只有ULTEM支撐可用。

5.驗證是否將反向構建材料選擇為否。此功能用於犧牲工具。

6.最後，選擇“切片高度”，該高度將與尖端大小相關。在這種情況下，0.010英寸（0.254毫米）的切片將需要T14尖端。下表列出了ULTEM 1010樹脂的可用尖端尺寸以及相應的切片高度和卷邊寬度。注-表中顯示的尖端尺寸/切片高度關係僅適用於ULTEM 1010樹脂。胎圈寬度也可以變化（在限制範圍內），以最大限度地減少內部孔隙率，並確保輪廓之間的適當接觸。

表8-1

7.單擊綠色複選框。

確定零件方向

零件的方向是一個極其重要的步驟，它將影響表面光潔度（樓梯踏步）、建造時間和使用的支撐材料數量。確定零件的最關鍵表面將有助於選擇方向。通常，零件的方向應儘量減少階梯，並提供最佳的表面光潔度。此外，相對於建造平臺，角度大於45°的懸垂特徵不需要支撐材料。以下示例將顯示如何正確定位零件，以便以最佳的表面光潔度和最少的支撐材料進行列印。

為了快速定位，用戶可以在工具上選擇一個表面，並將其作為頂部、底部、左側、右側、前部或後部進行參考。

Insight還允許用戶以特定角度定向零件。選擇“確定零件方向”圖示，然後選擇“旋轉”。

圖8-3：零件導入後的方向深入洞察。

圖8-4：選擇底部參考後的零件方向。

下麵的菜單將出現在螢幕的右側。確定零件圍繞哪個軸旋轉以及旋轉增量。為“旋轉”增量輸入一個從1°到180°的值，然後從六個軸方向中選擇一個來旋轉零件。

零件現在處於最佳方向。

圖8-5：旋轉後處於最佳方向的零件。

切片零件

對零件進行切片會將其分成多個層。每一層都有一個特定的工具路徑，印表機按照該路徑創建零件。切片高度由尖端大小決定。要對零件進行切片，請選擇由紅色圓圈指示的圖示。

生成支撐

支撐生成對於高質量的零件至關重要，因為它可以防止懸垂部分下垂。Insight提供了多種支持選項。選擇Generate Support（生成支持）圖示將根據默認設置創建支持。

支撐材料可以被修改以減少所需的支撐量和/或列印時間。單擊“支持”，然後單擊“設置”。

Support Setup（支撐設置）菜單將出現在螢幕右側。選擇紅色圓圈圖示進入高級設置。以下菜單將出現在螢幕中間。它允許用戶根據他們想要的結果設置支持生成的各種參數。通常，建議使用默認的支持設置。選擇“在可能的情況下使用模型材料”選項可以顯著減少構建時間。

螢幕中間將出現以下菜單。它允許用戶根據他們想要的結果設置支持生成的各種參數。通常，建議使用默認的支持設置。選擇“在可能的情況下使用模型材料”選項可以顯著減少構建時間。

生成工具路徑

下圖顯示了可以選擇用於構建模型的默認“內嵌”參數。可以通過自定義組菜單訪問其他填充圖案選項。圖案之間的權衡是成本、強度和列印時間。具有實心填充圖案的零件會更堅固，但列印需要更多的時間和材料。建議在不影響強度的情況下找到這些變數的平衡。

要生成工具路徑，請選擇“工具路徑”，然後選擇“設置”

要生成刀具路徑，請選擇“刀具路徑”，然後選擇“設置”。以下菜單將出現在螢幕右側，並包含相關的刀具路徑資訊。此菜單允許用戶更改刀具路徑的各個方面，如輪廓寬度、輪廓數量和填充圖案。可以通過選擇下麵指示的圖示來創建自定義刀具路徑。

高級刀軌菜單將出現在螢幕中間。此菜單允許用戶指定刀具路徑的各種參數。

注意：建議使用自動填充的刀具路徑設置。儘管輪廓和光柵寬度可以稍微調整要填充小間隙並優化特定圖層的填充，建議使用默認設置以獲得最佳品質。此外，強烈建議不要調整收縮係數。高級刀軌菜單將出現在螢幕中間。此菜單允許用戶指定刀具路徑的各種參數。

選擇綠色複選框以確認更改。

對工具路徑進行著色處理

可以從頂部方向查看工具路徑。綠線表示胎圈的中心線。在許多情況下，有必要查看整個胎圈輪廓，以尋找孔隙率或較差的胎圈接觸。在工作空間上單擊滑鼠右鍵，然後選擇“著色”工具路徑以查看胎圈輪廓。

圖8-6：工具路徑著色之前和之後。

時間估計

Insight允許用戶在生成支持和工具路徑後估計列印時間和材料使用情況。要估計構建時間，單擊“工具路徑”，然後單擊“估計時間”。

將出現以下菜單

選擇“確定”以運行估算。將顯示構建時間、模型容量和支持容量。FDM熱塑性塑膠的標準罐含有92立方英寸的材料，這有助於估計需要罐。Stratasys還提供500立方英寸（8194立方釐米）和184立方英寸（3015 cm3）特定材料的罐尺寸，這有助於更大的工具構建。

穩定牆

機器內部的振動力會影響大而薄的零件，並可能導致尺寸不准確。增加穩定牆可以防止這種情況發生。穩定牆是由模型材料製成的犧牲支撐柱，有助於將零件支撐和錨定在建築板上。Insight使定制穩定牆，用戶可以選擇列印到哪一層。

圖8-7：印有黑色箭頭所示穩定壁的複合工具。

要將穩定牆添加到零件，請選擇“支撐”、“穩定牆”。

以下菜單將出現在螢幕的右側。此菜單允許用戶選擇穩定器牆的各種特徵，如分離、接觸間隔和層間隔。

一旦確定了穩定牆的特徵，通過輸入層號來選擇穩定牆將上升到的層。在下面的示例中，牆將達到層500（參見紅色圓圈）。

選擇零件邊緣附近的一個點，如下圈箭頭所示。這將是穩定牆的起點。

單擊“加號”圖示以建立穩定器牆的第一個接觸點。選擇零件上的第二個點以建立穩定牆末端。然後單擊綠色複選標記。

選擇綠色複選標記。穩定器牆將出現，看起來應與下圖相似。間距和數量接觸點可以基於所選擇的特徵而不同。

接縫控制

當印表機應用一條材料時，它開始和停止的地方被稱為接縫。在某些情況下，接縫可能會在零件表面造成輕微瑕疵，從而導致不可接受的複合工具表面。通過將接縫移動到非關鍵曲面（通常是工具的背面或拐角處）來解決此問題。下圖中的藍色箭頭表示接縫的當前位置，紅色箭頭表示接縫將移動到的位置。

1.通過選擇“工具路徑”、“接縫控制”來移動接縫

在零件外部的空間中選擇一個點，以確保所有層上的接縫都在同一位置。如果要將接縫放置在拐角上，下麵的紅色箭頭指示要選擇的位置。

在螢幕右側的菜單下，選擇“對齊到最近點”作為“接縫放置方法”

使用定位柱將零件固定到構建圖紙

為了構建一個工具，Fortus 3D印表機首先應用一層模型材料，然後應用幾層支撐。然後將該工具構建在支撐材料的基礎上。高溫熱塑性塑膠，如ULTEM 9085和1010樹脂，容易發生熱收縮。在某些情況下，零件可能會在構建時從構建圖紙上分層。這種現象在大型扁平零件中更為普遍，例如下麵的隔板工具。

防止零件分層的最佳方法是在零件外緣和所有角落大約每隔2-3英寸（50-76毫米）添加一根錨柱。定位柱是將構建圖紙直接連接到零件的模型材質柱。

圖8-8：錨固柱的橫截面圖。

1.要添加定位柱，請先對零件進行切片，然後選擇俯視圖。

2.選擇零件的底層。

3.選擇支撐、錨柱

4.選擇錨柱的直徑。0.1英寸（2.54毫米）是默認值，可以將零件固定到構建圖紙上。請確保頂部和底部尺寸匹配，否則柱將具有圓錐形。

5.選擇錨柱的位置。將出現一個白色圓圈。單擊OK。注意：當用戶單擊OK時，圓圈將消失，但尚未刪除。

6.生成支持和工具路徑。

7.對工具路徑進行著色將顯示錨點列現在已合併到零件中

附錄A–熱焊接示例程式

大型FDM零件可以用粘合劑或熱風焊接粘合在一起。熱空氣焊接熔化熱塑性零件一起使用加熱的空氣在零件之間的接頭處熔化塑膠絲。如果做得好，這種結合可以像粘合。需要一個加熱元件來熔化接頭和燈絲。有許多熱焊接設備；以下內容資訊顯示了如何使用Leister Hot Jet S熱風手動工具。

圖A-1：Leister Hot Jet S熱風手動工具。

這種特殊的工具需要一個焊接噴嘴來集中熱量。本例使用型號107.148（直徑0.85英寸）0.11 x0.06英寸橢圓形焊接噴嘴，可在Leister網站上找到。

圖A-2：焊接噴嘴附件。

溫度設置將根據所使用的材料而有所不同。對於ULTEM 1010樹脂，將風扇（黑色旋鈕）設置為3並加熱（紅色旋鈕）至6。

圖A-3：如果使用Leister Hot Jet S熱風手動工具，ULTEM 1010樹脂的風扇和溫度設置。

在接頭中設計一個V形槽將增加配合表面積。堆疊細絲層以填充凹槽。

圖A-4：用於將兩個部分粘合在一起的V形槽通道。

使用碳罐中的一根細絲將兩部分焊接在一起。熱風焊機應同時加熱燈絲和基底，直到兩者都變軟。最大粘結深度將大致等於焊絲的直徑。

圖A-5：將兩個部分用細絲焊接在一起。

燈絲應牢固地固定在接合處。下圖是粘合不良的一個例子，因為鉗子很容易將其移除。完成後，用砂紙將表面打磨光滑。

圖A-6：由於燈絲很容易被移除，因此粘合不良的示例

附錄B–密封程式

環氧密封膠的應用

收集以下工具和材料：

•雙作用軌道砂光機（電動或壓縮空氣）

•以下砂礫中的砂紙：120、220、320、400、600和800

•環氧樹脂密封劑

•異丙醇、丙酮

•刮刀或紙巾

•乾淨、無絨布

•可容納工具尺寸的烤箱

程式：

注意-下麵詳細說明的過程的結果應該是提供真空完整性的光滑表面。該過程的目標是首先填充由分層構建過程產生的工具表面中的空隙，然後簡單地去除由分層過程產生的任何峰值。最終，處理器必須小心，不要通過過度磨損。

1.將烤箱溫度設置為200°F（93°C）。

2.使用IPA或丙酮（首選）擦拭工具，以清除灰塵和污染物。

3.首先用120號砂紙輕輕打磨工具。這種磨損不是為了去除層線，而是粗糙化表面並允許環氧樹脂和工具之間的良好結合。

圖B-1：使用120粒度砂紙對工具進行初步打磨。

4.擦掉多餘的灰塵，並用IPA或丙酮擦拭工具。

5.將工具放置在設定溫度為200°F（93°C）的烤箱中10-15分鐘。這有助於增加環氧樹脂密封劑的滲透性和滲透性。

6.根據製造商的建議徹底混合環氧樹脂

左：稱量環氧樹脂。右：混合環氧樹脂

7.將工具從烤箱中取出，並使其在室溫下放置1-5分鐘。

8.通過將環氧樹脂澆注到工具表面上來施加環氧樹脂。使用擦拭工具用刮刀或紙巾在整個表面上形成一層薄膜。

9.這裏的目標是填充鋪設表面上的凹陷和/或空隙。

左：在工具上澆注環氧樹脂。右：擦拭工具。

10.將工具放入烘箱中，並按照製造商的要求固化環氧樹脂建議的程式。

11.取下工具，讓其冷卻，直到冷卻到可以觸摸為止（大約30分鐘）。

12.用120號砂紙打磨工具。

13.通過重複步驟4-10塗覆第二層環氧樹脂。

14.用120號砂紙打磨工具。

15.使用丙酮擦拭工具以清除灰塵和污染物。

16.使用以下逐漸變細的砂紙打磨工具：220和320。用幹布擦去中間的灰塵每個打磨步驟。

圖B-6：打磨工具。

17.用400和600粒度的砂紙用濕砂紙打磨工具。如果表面要求粗糙度低於16µin（0.4µm）Ra。

圖B-7：拋光工具。

18.使用輪廓儀（可選）檢查表面粗糙度。

圖B-8：用輪廓儀檢查表面粗糙度。

附錄C——通用術語

以下是與FDM複合材料上置工具相關的常用術語列表。

增材製造：通過沉積材料層，從CAD檔中創建對象的過程。也稱為“3D列印”

珠寬度：熱塑性珠的寬度。這並不總是與尖端尺寸相同。

構建室：3D印表機的內部，零件就是在這裏構建的。

構建平臺：構建室內的平臺，材料沉積在該平臺上。

構建板：一種薄的一次性塑膠板，連接在構建平臺上，以確保零件在構建過程中不會翻倒。

構建體積：構建零件的3D印表機內部空間的最大尺寸。

複合材料工具：在生產複合材料零件時，用於疊層、成型和固化複合材料的工具。在本指南中，它與術語疊層工具、模具、心軸和模具同義。

控制中心™: 允許用戶將使用Insight軟體處理過的零件發送到印表機的軟體。

輪廓和光柵：用於描述構成FDM零件的兩種類型的刀具路徑的術語。輪廓勾勒出零件的週邊，光柵填充輪廓之間的內部空間。

圖C-1：輪廓和光柵。

固化週期：固化複合材料層壓板內的樹脂系統以形成剛性結構的過程。固化週期可能因生產建議而異。許多需要高壓釜加熱和加壓。

擠出機頭：3D印表機X-Y機架上的組件，包括擠出頭、液化器、驅動塊和正確沉積模型和支撐材料所需的硬體。

細絲：熱塑性塑膠和支撐材料進入3D印表機時的形式。

Fortus 3D印表機：Stratasys生產的3D印表機系列，由FDM技術驅動。Fortus 900mc是最大的FDM 3D印表機，構建體積為3英尺寬x 2英尺深x 3英尺高（914 x 610 x 914毫米）。該系列中第二大產品是Fortus 450立方釐米，體積為16英寸寬x 14英寸深x 16英寸高（406 x 356 x 406毫米）。

圖C-2:Fortus 900mc 3D印表機。

圖C-2:Fortus 450mc 3D印表機。

FDM技術：一種增材製造技術，通過在連續的層中應用熱塑性塑膠珠來3D列印零件。

Insight軟體：用於指定在Fortus 3D印表機中生產零件時的構建參數的軟體。

液化器：擠出機頭的一部分，用於在沉積熱塑性長絲之前使其液化。

材料罐：容納Fortus 3D印表機使用的材料的容器。

模型材料：在FDM 3D印表機中擠出的任何形成物體的熱塑性塑膠。

孔隙率：由擠出珠粒之間出現的氣穴和空隙以及設計的內間隙產生的品質

稀疏構建工具中的構建路徑之間（通過設計，FDM工具可以構建為實心或具有不同程度的孔隙率）。另請參閱“稀疏構建。”

圖C-4：導致孔隙度的刀具路徑之間的自然間隙

後處理：印刷工具後所需的過程，為複合材料疊層做準備。

自支撐角度：相對於構建平臺，零件特徵上的角度大於45°，不需要支撐材料。

圖C-5：自支撐角度（左）不需要支撐材料。

切片高度和構建提示：切片高度定義了正在製造的零件的層厚度。構建尖端是擠出機。切片高度與構建尖端大小有關。

切片：將.stl檔劃分為層或“切片”的行為。稀疏構建：一種特殊類型的FDM構建結構，其特徵是稀疏的內部填充模式，旨在減輕重量、減少構建時間和減少材料使用。有關稀疏構建和其他FDM填充模式之間的比較，請參見下圖。

圖C-6：各種填充模式。

階梯：切片高度將在零件的曲面上創建階梯狀圖案的現象。這是由於胎圈輪廓的幾何約束。可以通過更改構建方向或減小切片高度來最小化樓梯踏步。

左：具有較大層面高度的樓梯踏步。右：具有小高度的樓梯踏步。

提示：擠出機頭上的一個可更換噴嘴，用於沉積材料。尖端尺寸將影響珠子。

圖C-9：構建提示。

尖端尺寸：擠出尖端的直徑。

工具密封：在印刷工具上塗上第二種材料（粘合劑、薄膜或類似材料），以提供光滑、連續的工具在其上鋪設材料並提供真空完整性的表面。

傳統工具：用傳統材料製成的工具，如機械加工的金屬或泡沫。

修剪工具：用於在固化後從複合材料零件上修剪多餘材料的工具。

ULTEM 1010樹脂：通常被稱為聚醚醯亞胺（PEI），這是一種由SABIC開發的高性能熱塑性塑膠可用於製造具有優異強度和熱穩定性的FDM部件。

所需材料：

• Digital Scale

• BJB TC-1614 two part epoxy

• Plastic or wax mixing cups (Dixie cups)

• Stirring sticks

• Lint-free towels (Kimwipes)

• Oven

• Plastic filament welder

• Cutting wheel

• Angle grinder

• 80-grit grinding disks

• Sandpaper: 180, 220, 320 grit

• Wet sandpaper: 400, 600 grit

步驟1：測量並標記將被切除和更換的零件的損壞區域。使用列印替換零件測量。

步驟2：使用切割輪切掉標記為要拆卸的損壞區域。在標記線的內側進行切割，以便不要切掉太多的部分。

第三步：使用角磨機和80粒度的砂輪機將零件邊緣打磨光滑。這會給你一個很好的表面安裝替換零件。

步驟4：安裝檢查更換零件。進行任何調整，以確保零件適合並與所有關鍵表面齊平

步驟5：對齊更換零件，並用夾子將其固定到位。如果無法使用夾具，請使用膠帶固定其位置。使用熱風焊機和燈絲，點焊更換零件的所有角落。從工具上取下夾子或膠帶。重新加熱該點焊接以進行任何最終調整，以確保所有關鍵表面都能齊平配合。

步驟6：在進行最終調整後，將更換零件的其餘部分焊接到位。

步驟7：使用帶80號砂輪機的角磨機，將焊縫向下打磨，使其與工具表面的其餘部分齊平。小心不要過度研磨焊縫並在零件的整個表面上產生低點。

步驟8：DA（雙重作用）打磨更換零件，並用120號砂紙在其餘零件上重疊兩到三英寸進行焊接複合工具。

步驟9：使用製造商規定的5:1（5份A至1份B）混合足夠的BJB TC-1614環氧樹脂，以充分塗覆所需的打磨表面。

第10步：在打磨過的表面均勻地塗上混合環氧樹脂。讓環氧樹脂在零件中浸泡大約5分鐘，然後擦拭Kimwipes去除多餘的環氧樹脂。

第11步：將複合材料工具放入烤箱中，在200°F（93°C）下烘烤2-3小時，或直到環氧樹脂完全固化。

第12步：將零件從烤箱中取出，讓其完全冷卻至室溫。重複步驟8-11，直到圖層線條和臺階完全用環氧樹脂填充。在正常情況下，這需要2到3層塗層。

第13步：DA或用220320號砂紙手工打磨所有環氧樹脂塗層表面。現在用手潤濕沙子，潤濕400和600砂礫砂紙。遵循此程式將獲得32µin（0.8µm）或更低的*Ra值，這取決於修整器。

*Ra計算為表面測量的微觀峰和穀的粗糙度平均值。行業模具的標準Ra在32至64µin（0.8至1.6µm）之間。

附錄E——建造準備檢查表

準備

o根據固化溫度要求選擇的材料（幾乎所有疊層都建議使用ULTEM 1010樹脂工具應用。）

o驗證預期的固化壓力和真空裝袋方法——考慮工具類型和構建結構

o確定了建造方向（以儘量減少材料使用、建造時間，並在重要時減少臺階）

o設計中考慮的CTE影響

o確定打磨和密封方法及材料

o通常理解所需的工具壽命（零件的壽命為10秒對100秒）

設計

o刪除裝飾線條和非必要功能

o確定所需的構建風格（shell、稀疏、混合）

o包含在任何懸垂部分或內部特徵中的自支撐角度

o所有尖角和邊緣均為圓形（尤其是信封裝袋）

o應用的CTE比例因數（適當時）

o為最終複合材料零件設計的相應修剪工具

o對於大型工具，建立分割和連接方法，並結合所需特徵

Insight 處理

o選擇的材料、切片高度和焊道寬度

o工具方向正確

o刀具切片

o生成的支持

o生成的工具路徑

o增加穩定牆和/或錨固銷（如有必要）

o接縫從鋪層表面移開

後期處理

o工具打磨和密封（根據需要）

o選擇固化溫度相容的工具密封材料

o準備好工具連接程式（如果有多個零件）

o選擇脫模劑-建議使用水基脫模劑

延伸閱讀：

複合材料工具2.0的FDM設計指南（一）

複合材料工具2.0的FDM設計指南（二）