半固态成型基本理论熔融沉积制造大作业.doc

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1、研究生课程考试答题册考试课程 近净成型工艺基础与新技术 题 目 半固态成型基本理论 目录前 言41 熔融沉积制造工艺原理51.1快速成形技术基本原理51.2FDM 的工艺原理52 熔融沉积制造系统简介52.1硬件系统62.2软件系统62.3供料系统63 熔融沉积制造系统设备简介74 FDM快速成型工艺过程94.1产品三维建模94.2三维模型分层处理104.3 FDM造型104.3.1 支撑制作104.3.2实体制作104.4 后处理105 FDM工艺过程影响因素115.1材料性能115.2喷头温度和成型室温度125.3挤出速度和填充速度125.4分层厚度125.5 延迟时间135.6扫描方式1

2、36 FDM工艺特点及应用13英文文献一15英文文献二17近净成形现有技术及新进展20橡胶等静压净成型技术(rubber isostatic pressing RIP)20溶液沉积制造技术(Liquid-Frozen Deposition Manufacturing L-FDM)20增塑粉末挤压成形 (PEM)21热静液挤压(Hot hydrostatic Extrusion)22消失模铸造技术( LFC)23真空低压消失模铸造技术23压力消失模铸造技术23振动消失模铸造技术24消失模壳型铸造技术24参考文献25前 言快速成型技术(Rapid Prototyping)是 20 世纪80年代中后

3、期发展起来的一项新型的造型技术。RP技术是将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数控技术(CNC)、材料学和激光结合起来的综合性造型技术。RP经过十多年的发展 ,已经形成了几种比较成熟的快速成型工艺光固化立体造型(SL-Stereo lithography)、分层物体制造(LOM-Laminated Object Manufacturing)选择性激光烧结(SLS-Selected Laser Sintering)和熔融沉积造型(FDM-Fused Deposition Modeling)等。这四种典型的快速成型工艺的基本原理都是一样的 ,但各种方法各有其特点。FDM（F

4、used Deposition Modeling）工艺是由美国学者Scott Crump于1988年研制成功，其后由Stratasys公司推出商品化的3D Modeler 1000、1100和FDM 1600、1650等系列产品。后来清华大学研究开发出了与其工艺原理相近的MEM（Melted Extrusion Modeling）工艺及系列产品。1 目前，FDM工艺已经广泛应用于汽车领域，如车型设计的检验设计、空气动力评估和功能测试；也被广泛应用于机械、航空航天、家电、通信、电子、建筑、医学、办公用品、玩具等产品的设计开打过程，如产品外观评估、方案选择、装配检查、功能测试、用户看样订货、塑料件

5、开模前检验设计以及少量产品制造等。用传统方法需机几个星期、几个月才能制造的复杂产品原型，用FDM成型法无需任何道具和模具，可快速完成。1 熔融沉积制造工艺原理1.1快速成形技术基本原理 快速成型技术是对零件的三维 CAD 实体模型 ,按照一定的厚度进行分层切片处理,生成二维的截面信息,然后根据每一层的截面信息 ,利用不同的方法生成截面的形状。这一过程反复进行,各截面层层叠加,最终形成三维实体。分层的厚度可以相等,也可以不等。分层越薄,生成的零件精度越高 ,采用不等厚度分层的目的在于加快成型速度。1.2FDM 的工艺原理如图 1 所示。成形时，丝状的成形材料和支撑材料由送丝机构送至各自对应的图

6、1 FDM工艺原理图（来自百度图片）微细喷头，在喷头的挤出部位被加热至熔融或半熔融状态。喷头在计算机控制 下，按照模型的CAD分层数据控制的零件截面轮廓和填充轨迹作 X-Y 平面运动；同时在恒定压力下，将融化的材料以较低的速度连续的挤出并控制其流量。材料被选择 性的沉积在层面指定位置后迅速凝固，形成截面轮廓，并与周围的材料凝结。一层截面完成后 ，工作台下降一层的高度（0.25-0.75mm） ，再继续进行下一层的沉积。如此重复 ，直至完成整个实体的造型3。2 熔融沉积制造系统简介2.1硬件系统 图2 FDM快速成型系统喷头结构示意图8一般熔融沉积制造机械系统包括运动、喷头、成型室、材料室、控制

7、室和电源室等单元，喷头是该系统的关键部件7。以上海富力奇公司推出的TSJ系列快速成型机为例介绍一下喷头结构8。如图2，喷头内的螺杆和送丝机构可用同一步进电机驱动，当外部计算机发出指令后，步进电机驱动螺杆，同时通过同步齿形带传动与送料辊将塑料丝送人成型头，在喷头中熔融，并在螺杆挤压作用下通过喷嘴涂覆在工作台上。2.2软件系统几何建模单元是由设计人员借助CAD软件，如PRO/E、Auto-CAD等构造产品的实体模型或由三维测量仪（CT、MRI等）获取的数据重构产品的实体模型，最后以STL格式输出原型的几何信息。信息处理单元由STL文件处理、工艺处理、数控、图形显示等模块组成，分别完成对STL文件错

8、误数据检验与修复、层片文件生成、填充线计算、数控代码生成和对原型机的控制。其中，工艺处理模块根据STL文件判断制作成型过程中是否需要支撑，如需要支撑则进行支撑结构设计，并以CLI格式输出产生分层CLI文件。 2.3供料系统供料系统主要完成原型材料和支撑材料的精准供给。送料时，实芯丝材原材料缠绕在供料辊上，由电动机驱动辊子旋转，辊子和丝材之间的摩擦力使丝材向喷头的出口送进。在供料辊与喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦材料制成，以便丝材能顺利、准确地由供料辊送到喷头的内腔。3 熔融沉积制造系统设备简介目前研究熔融沉积工艺设备的主要有美国的Stratasys 公司、MedModeler 公 司以及

9、国内的清华大学。 所有Stratasys 公司生产的设备都具有下列特征10： 设备结构紧凑，设计成“即插即用”原型机； 无需激光器，能量损耗低； 不需冷却水； 对操作者而言，不需排除刺激的或有毒的蒸汽； 可在办公环境下操作。 FDM3000是系列机（包括FDM1650、FDM2000、FDM8000）中的标准设备。与其他机型相比，该设备有两个喷头，可以同时挤出模型材料和支撑料。设备本身紧凑，只有160Kg，不需要多余的配置，只需230V/10A的电压，通过一个V24的接口与工作站联系，喷头是可更换的。 型号：FDM3000 使用材料：ABS （P400 ） 支撑材料：水溶性支撑材料 成形尺寸：

10、254mm 254mm 254mm精度：Model尺寸127 mm，精度为0.178 mm（-0.001 4 mm/mm）Model尺寸127 mm，精度为0.053 4 mm/mm 层厚：0.177 8 mm 0.254 0 mm0.304 8 mm 重 量：160Kg电 源： 230V/10A 图3 FDM3000原型机(google 图片) FDM Titan原型机技术参数：成型尺寸：14x16x16in(355x406x406mm)成形材料： ABS、PC、PPSF每层厚度：0.12(ABS)/0.17(PC)/0.25mm支撑材料：水溶性支撑(ABS)，易于剥离支撑(PC/PPSF)

11、重 量：726kg电 源：230V，50/60Hz， 3Pase， 16A外观尺寸：1270(W)x876(D)x1981(H)mm 图5 FDM Maxum原型机（google 图片）FDM Maxum原型机技术参数：成形尺寸:23.6x19.7x23.6in(600x500x600mm)成形材料:ABS（p400）ABS Si（P500）每层厚度:0.12/0.17/0.25mm支撑材料:WaterWorks for ABS重 量:1134kg电 源:208-240VAX, 50/60Hz, 32A外观尺寸:2235(W)x1981(D)x1118(H)mm 对于塑料来讲，FDM Maxu

12、m是最大最快的FDM设备，设计用来成形ABS模型。其速度快的原因在于采用电磁式空气线轴承驱动。工作时，定子固定在底座，转子安装在挤出头中，喷头靠移动的电磁场在x，y方向定位，移动迅速、准确，并且因为是空气支撑，非常接近于无摩擦10。图4 FDM Titan原型机（google 图片）4 FDM快速成型工艺过程FDM快速成形工艺流程图如下图7所示：图7 FDM快速成形工艺流程图4.1产品三维建模 设计人员接到设计任务后，首先根据产品的使用要求，利用计算机辅助设计软件设计出产品的三维模型。目前常用的设计软件有: Pro/ E、Solidworks 、MDT 、AutoCAD 、U G等4 。或由三

13、维测量仪（CT、MRI等）获取的数据重构产品的实体模型，最后以STL格式输出原型的几何信息。6Fortus 400C原型机技术参数成形尺寸： 356 x 254 x 254 mm （ 406 x 356 x 406 mm ） 成形材料：ABS、PC、PPSF/PPSU每层厚度： 0.330 mm 0.254 mm 0.178 mm 0.127 mm成形精度： (+/- .127 mm or +/- .0015 mm per mm） 支撑材料： 水溶性（ ABS，PC-ABS ）；易于剥离支撑（ PC, ULTEM 9085, PPSF/PPSU） 电 源： 230 VAC, 50/60 Hz,

14、 3 phase, 16A/phaseFDM 400mc系统的特点 ： 增加了20-30% 生产效能。 全新的ABS-M30的模型材料。 模型零件的强度得到提升。 增进准确性。 增进重复性。 灵活配置生产需求。图6 Fortus 400C原型机（google 图片）4.2三维模型分层处理 在得到零件三维实体后，要完成最终造型，必须得到每一层的二维截面信息，所以必须对三维模型进行分层处理。目前最普遍的方法是采用美 国 3D System 公 司 开 发 的 STL(Sterolithgraphy)文件格式。这种文件格式是将CAD表面离散化为三角形面片，如图8所示。根据实体的表面曲率，实体的表面由

15、众多的三角形面片组成，不同的精度时有不同的三角形网格划分。如图9为对同一直径的球体在不同精度条件下的表面三角形面片表示6。 图8 STL格式文件三角面片表示 图9 不同精度条件下球体表面三角片面表示4.3 FDM造型 产品的造型包括两个方面:支撑制作和实体制4.3.1 支撑制作由于 FDM 的工艺特点 ,系统必须对产品三维CAD模型做支撑处理 ,否则 ,在分层制造过程中 ,当上层截面大于下层截面时 ,上层截面的多出部分会出现悬浮(或悬空) ,从而使截面部分发生塌陷或变形 ,影响零件原型的成型精度 ,甚至使产品原型不能成型。支撑还有一个重要的目的:建立基础层。在工作平台和原型的底层之间建立缓冲层

16、 ,使原型制作完成后便于剥离工作平台。此外 ,基础支撑还可以给制造过程提供一个基准面。所以FDM 造型的关键一步是制作支撑。4.3.2实体制作在支撑的基础上进行实体的造型 ,自下而上层层叠加形成三维实体 ,这样可以保证实体造型的精度和品质。4.4 后处理快速成型的后处理主要是对原型进行表面处理。去除实体的支撑部分 ,对部分实体表面进行处理 ,使原型精度、表面粗糙度等达到要求。但是 ,原型的部分复杂和细微结构的支撑很难去除 ,在处理过程中会出现损坏原型表面的情况 ,从而影响原型的表面品质。于是 ,1999 年 Stratasys 公司开发出水溶性支撑材料 ,有效的解决了这个难题。目前 ,我国自行

17、研发 FDM 工艺还无法做到这一点 ,原型的后处理仍然是一个较为复杂的过程。5 FDM工艺过程影响因素5.1材料性能 材料的性能直接影响成形过程及成形精度。FDM工艺对材料以下性能有所要求：（1）材料的粘度：材料的粘度低，流动性好，阻力就小，有助于材料的顺利挤出。材料的流动性差，需要很大的压力才能挤出，会增加喷头的起停响应时间，从而影响成形精度。（2）材料的熔融温度：熔融温度低可以使材料在较低温度下挤出，有利于提高喷头和整个机械系统的寿命。而且，减少材料在挤出前后的温差，能够减少热应力，从而提高原型的精度。 （3）材料的粘结性：FDM原型的层层之间往往是零件强度最薄弱的地方，粘结性好坏决定了零

18、件成形以后的强度。粘结性过低，有时在成形过程中因热应力会造成层与层之间的开裂。 （4）材料的收缩率：挤出后的材料丝一般会发生一定程度的膨胀，如果材料收缩率对压力比较敏感，会造成挤出材料丝直径与喷嘴名义直径相差过大影响成形精度。另外，FDM成形材料收缩率对温度不能太敏感，否则会产生零件翘曲、开裂。 为此，FDM工艺对成形材料的要求是熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小。另外，FDM材料还要有良好的成丝性；在相变过程中具有良好的化学稳定性，且要有小的收缩性。FDM工艺选用的材料为丝状热塑性材料，常用的有石蜡、塑料、尼龙丝等低熔点材料和金属、陶瓷等的线材或丝材7。此外，FDM工艺对支撑材料性能同样

19、有一定的要求，主要有： （1）能承受一定的高温 由于支撑材料要与成形材料在支撑面上接触，因此，支撑材料必须能够承受成形材料的高温，在此温度下不产生分解与融化 （2）与成形材料不浸润，便于后处理 支撑材料室加工中的辅助手段，在加工完毕后必须去除，所以支撑材料与成形材料的亲和性不应太好 （3）具有水溶性或酸溶性 为了便于后处理，支撑材料最好可以在某种溶液里溶解 （4）具有较低的熔融温度 材料在较低的温度挤出，提高喷头的使用寿命 （5）流动性要好 由于支撑材料的成形精度要求不高，为了提高机器的扫描速度，要求支撑材料具有很好的流动性，相对而言，粘性何以差一些。5.2喷头温度和成型室温度喷头温度决定了材

20、料的粘度性能、堆积性能、丝材流量以及挤出宽度。喷头温度太低，则材料粘度打，挤丝速度慢，不仅加重挤压系统负担，还有可能造成喷嘴堵塞，而且材料层间粘结强度降低，可能引起层间剥离。温度太高，材料偏向于液态，粘性系数偏小，流动性强，挤出速度快，无法形成可精确控制的丝。这样会出现前一层材料还未冷却成形，后一层材料就加压其上，从而使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取。 成形室的温度对成形件的热应力有影响。温度过高，有助于减小热应力，但零件表面易于起皱；温度过低，从喷嘴挤出的丝材材骤冷使成形件热应力增加，容易引起零件翘曲变形。而且由于挤出丝冷却速度过快，导致层间粘结不牢固，

21、会有开裂的倾向。因此，一般成型室的温度设定为比挤出丝的熔点温度低12C7.5.3挤出速度和填充速度 挤出速度是指丝材在送丝机构的作用下，从喷嘴中挤出时的速度，填充速度则是指喷头在运动机构的作用下，按轮廓路径和填充路径运动时的速度。如果填充速度与挤出速度匹 配后出丝太慢，则材料填充不足，出现“断丝”现象，难以成型；相反，填充速度与挤出速度匹配后出丝太 快，熔丝堆积在喷头上，使成型面材料分布不均匀，表面会有“疙瘩”，影响造型质量.所以，应根据具体情况，将挤出速度和填充速度进行合理匹配 5.4分层厚度由于每层有一定的厚度，会在成形后的实体表面产生台阶效应，直接影响到成形后实体的尺寸误差和表面粗糙度。

22、一般来说，分层厚度越小，台阶效应越不明显，表面质量也越高，但是分层处理和成形时间会变长，降低成形效率。相反，分层厚度越大，表面质量越差，但成形效率相对较高。可在实体成形后进行打磨，抛光等后处理来提高成形精度。5.5 延迟时间延迟时间包括出丝延迟时间和断丝延迟时间。当送丝机构开始送丝时，喷嘴不会立即出丝，而有一定的滞后，把这段滞后时间称为出丝延迟时间。同样当送丝机构停止送丝时，喷嘴也不会立即断丝，把这段滞后时间称为断丝延迟时间。在工艺过程中，需要合理地设置延迟时间参数，否则会出现拉丝太细，黏结不牢或未能黏结，甚至断丝、 缺丝的现象，或者出现堆丝、 积瘤等现象，严重影响原型的质量和精度9。5.6扫

23、描方式 合适的扫描方式可降低原型内应力的积累，有效防止零件的翘曲变形。熔融沉积工艺方法中的扫描方式有多种，如从制件的几何中心向外依次扩展的螺旋扫描，按轮廓形状逐层向内偏置的偏置扫描及按X、Y轴方向扫描、回转的回转扫描等。通常，偏置扫描成形的轮廓尺寸精度容易保证，而回转扫描路径生产简单，但轮廓精度较差。为此，可以采用复合扫描方式，即外部轮廓用偏置扫描，而内部区域填充用回转扫描，从而既可以提高表面精度，也可以简化扫描过程，提高扫描效率。6 FDM工艺特点及应用1. 成形材料广泛,一般的热塑性材料如石蜡、塑料、尼龙丝等，适当改性后都可以用于熔融沉积制造。该工艺也可以堆积复合材料零件，如把低熔点的蜡或

24、塑料熔融时与高熔点的金属粉末、陶瓷粉末、剥离纤维、碳纤维等混合成多相成形材料。 2.成形设备简单，成本低,FDM技术靠材料熔融实现连接成形，用液化器代替了激光器，相比其他使用激光器的工艺方法，大大简化了设备，制作费用大大减低。且设备运行，维护也相对容易，可靠性高。 3.使用无毒的原材料，成形过程对环境无污染，设备系统可在办公环境中安装使用 4.可以成形任意复杂程度的零件，常用于成形具有很复杂的内腔、孔等零件 5.原材料在成形中无化学变化，制件的翘曲变形小 6.原材料利用率高，且材料寿命长 7.支撑去除容易，无需化学清洗，分离容易任何工艺都有其优点和缺点，熔融沉积制主要存在以下几个方面的问题：

25、只适合成形中、小型的塑料件； 成形件表面有较明显的条纹，表面精度不高； 沿成形轴垂直支撑结构； 需对整个截面方向的强度比较弱； 需设计、制作进行扫描涂覆，因此成形时间较长； 原材料价格昂贵。目前，FDM工艺已经广泛应用于汽车领域，如车型设计的检验设计、空气动力评估和功能测试；也被广泛应用于机械、航空航天、家电、通信、电子、建筑、医学、办公用品、玩具等产品的设计开打过程，如产品外观评估、方案选择、装配检查、功能测试、用户看样订货、塑料件开模前检验设计以及少量产品制造等。用传统方法需要几个星期、几个月才能制造的复杂产品原型，用FDM成型法无需任何道具和模具，可快速完成。英文文献一Title:Err

26、or analysis of FDM fabricated medical replicas题目：基于FDM成形的医学制品的误差分析1.摘要： （1）本文目的：FDM的快速发展使其在移植手术中的应用日益广泛。本文目的是调研在制备一些复杂制品时，由于计算机分层及FDM工艺成形时产生的误差。 （2）.采用方法：选用不同尺寸类型（儿童，男人，女人）的头盖骨和下颌骨作为模型，头盖骨上定义选取11处进行测量，下颌骨上定义选取9处进行测量，另外定义选取8处测骨厚，分别测量虚拟模型和用FDM成形出的模型，然后进行对比得出误差。 （3）.发现：用FDM工艺成形的头盖骨模型的平均绝对偏差为0.24%，平均标准偏

27、差为0.16%；上颌骨模型平均绝对偏差为0.22%，平均标准偏差为0.11%。 （4）.本文意义：证明了FDM工艺在成形不同尺寸的人体器官制品时，成形精度要高于其他快速成形工艺 2.文章简介 Santler 等人于1998年对SLA和铣削成形技术进行了对比，他们推断两种方法精度都能达到在临床上的应用，但是在一些精细结构和具有复杂内部结构的成形中，SLA具有明显优势。 Bouyssie 等人1997年研究了SLA成形人下颌骨模型时的精度，他们选取不同部位进行测量，得出的结论是标准偏差在0到0.24mm之间，原型比复制品稍大，平均偏差+0.06mm；平均绝对偏差为0.12mm，精度误差为0.02m

28、m Choi 等人2002年研究了3D虚拟模型精度的影响以及在用SLA技术生产过程中产生的误差。他们选取12处进行长度测量，他们得出原模型与SLA模型12处平均绝对偏差为 0.62-0.35mm (0.56%-0.39%)。 Nizam 等人为了验证SLA技术在马来西亚Sains University Hospital临床上的应用，2006年在的做了一个相似的研究，他们用SLA技术做了4个成年人的颅骨模型。之后用数显卡尺测量了每个模型和原型之间的尺寸（8处），他们得出的绝对偏差为0.59mm（0.54%），标准偏差为0.89mm（0.62%）。 Meakin等人2004年利用CT扫描对一个FD

29、M成形出的羊脊椎模型进行了精度分析，5处测量的平均绝对偏差为1.36mm，平均标准偏差为0.77mm。 以前的大多研究都集中在SLS和SLA技术上，然而poly(e-caprolactone)以及其他生物相溶性材料的发展，使FDM在生物组织工程学上大显身手，然而，明确FDM在整个成形过程中各种误差来源很重要，比如在医学成像(Bouyssie et al., 1997)及三维建模阶段(Choi et al., 2002)产生的误差。本文旨在研究制造阶段产生的误差3模型制作此处首先是利用三维测量仪对实体模型进行测量，在得到一系列数据后，转换成STL文件并在三维造型软件中进行数据处理并最终得到实体的

30、三维模型。之后对三维模型进行二维分层处理，得到加工路线，然后在FDM 3000成形机上成形出实验所需的不同尺寸类型的颅骨和上颌骨的模型。其流程图如右图10所示：图10 FDM3000制作颅骨模型过程4.数据测量 文中借鉴Garwin (2006)的研究，分别在颅骨上选取11处、下颌骨选取8处进行长度测量，并选取9处测量骨厚。5.结果分析 根据测量数据进行分析，颅骨模型12个长度数据的误差最小为0.02mm，最大为0.25mm，集中在0.070.15mm之间，平均误差为0.1mm；下颌骨模型8个数据的误差最小为0.035，最大为0.079mm之间，并且集中在0.050.08mm之间。数据表明制作

31、的颅骨模型精度等级为0.1mm，下颌骨模型的精度等级为0.01mm。.结论 对颅骨模型研究结果得出平均绝对偏差为0.108mm（0.24%），平均标准偏差0.048mm（0.16%）；下颌骨平均绝对偏差为0.079mm（0.22%），平均标准偏差0.031mm（0.11%）；骨厚测量中达到了更高的精度水平。研究还表明，用FDM成形工艺，结构（头骨、下颌骨）和成形尺寸（男人，女人，小孩）对成形精度影响不大。因此，相比其他工艺，FDM有更高的精度水平12。英文文献二Title：Fabrication of Precision Scaffolds Using Liquid-Frozen Deposi

32、tion Manufacturing for Cartilage Tissue Engineering题目：L-FDM在软骨组织工程精密支架成形中的应用 摘要： FDM工艺系统成形的组织工程支架，具有很高的强度和可控的孔结构。于是在FDM基础上提出了L-FDM的思想。本文基于L-FDM，用PLGA（聚羟乙酸共聚物）溶液成形出了高精度的支架。经过研究表明，基于L-FDM技术用1520%的PLGA溶液成形的支架性能显然优于FDM成形的支架。因此，L-FDM就为组织工程支架的成形提供了一个很好的方法。 .Introduction由于软骨组织细胞分裂能力有限，软骨组织在损伤后很难再生。组织工程学上在一

33、些具有生物相容性的3D支架放入种子细胞，借此来培养出需要移植的结构。一个理想的支架应满足以下几点：1）.具有高空隙结构，孔尺寸大小要合适，空隙结构具有高度连通性，便于细胞粘附、生长以及吸收营养物质和排泄代谢产物； 2）.具有很好的生物相容性和生物降解性，适宜的吸收率以匹配组织修复速率； 3）.具有适宜的力学性能一定的结构强度。 制作支架的传统方法： 冷冻干燥； 3D打印； 粒子致孔； 相分离； 气体发泡。但这些方法都存在着很多缺点和限制比如：结构强度不足，不适宜于某些承受压力的结构；空隙连通性差，不利于营养物质运输和代谢物排泄等等。后来随着FDM成形的快速发展，使其在软骨组织工程支架中的应用也

34、逐渐占据愈来愈重要的低位。其主要优点有：融合了CAD和CAM技术，可以设 计制作尺寸合适的支架；成形的支架力学性能良好，空隙尺寸合适，连通性好；可以成形任意形状的支架。但是这种方法也存在着一些无法忽略的缺点比如：只能用于热塑性材料和热稳定性好的材料； 成形过程温度较高，高分子链遭到破坏，易于引起强度不足。有一些研究者基RP技术用水溶胶成形支架，支架材料放进水溶液，然后在另外一种液体介质中沉积，这个过程不会涉及加热，因此材料性能不会遭到破坏，但是这种方法的缺陷是支架强度不够，不适合与一些承受压力组织（骨、软骨）的再生。在FDM的基础上设计了L-FDM系统，其原理图如右图11所示：图中计算机用于支

35、架模型设计以及加工路线的生成，喷嘴与一个压力控制装置相连，聚合物溶液在一定压力下由喷嘴挤出并在低温工作台迅速凝固，层层沉积便得到三维支架模型，之后冷却干燥48小时便最终成型。图11 （a）LFDM系统（b）15%PLGA溶液制作的支架干燥前照片（c）支架结构参数 （d）10%PLGA支架电镜照片2.Materials and Methodsl 支架成形 基于上图原理，用LFDM成形法成形支架并进行一些实验对比。l 支架特性测试 支架孔隙性能用含水量测定。首先测量充分浸水后的支架质量，然后进行干燥处理，之后再进行质量测量，然后计算其含水量。含水量计算公式如下：含水量 (%) =(Ww-Wd) /

36、Ww 100% 式中：Ww浸水后的支架重量 Wd干燥后的支架质量支架几何结构的精度用电子显微镜观察，通过观察其显微组织，可以对其几何特性和空隙性能做出评估；力学性能测试中，拿10kg大小的猪膝盖骨和模型作对比。 l 组织细胞培养为了评价其在培养组织细胞方面的性能，在不同方法成形的支架上做了组织细胞培养的实验，并进行各项指标的测定和对比。其步骤如下： 软骨细胞分离培养 ：从幼猪膝关节提取细胞，并经过处理培养增殖 种子细胞体外培养：将提取的细胞放入支架培养28天 细胞数目、多糖和胶原蛋白含量测量：测量细胞含量、多糖以及胶原蛋白含量 组织学检查：用扫描电镜对支架进行组织分析 统计分析 ：对所得数据进

37、行统计分析3.Results含水量和力学性能测试实验表明：LFDM成形支架含水量大于FDM成形的支架；同种支架，用方法二测得含水量较大；FDM成形的支架强度较高，随PLGA浓度增加，L-FDM成形的支架强度不断增加。用电镜观察L-FDM成形的不同PLGA浓度支架照片表明 ：PLGA浓度增加，表面孔减少，孔径减小。通过观察不同类型支架在培养过程中形貌发现，经过28天组织培养之后，FDM成形的支架形状变大，结构不稳定；L-FDM成形的支架相对较为稳定。通过电镜观察培养过程中软骨组织细胞，L-FDM成形的支架培养的软骨组织中，无论是细胞数量还是多糖和胶原蛋白的含量都明显多于FDM成形的支架培养的软骨

38、组织。而在所有L-FDM成形的支架中，又以20%25%浓度的PLGA浓度成形的支架性能最好。4.Conclusion本文提出的LFDM方法克服了FDM方法的一些缺点。LFDM工艺可应用不同材料以成形不同类型的组织工程支架，。由于不涉及加热过程，LFDM成形支架分子结构基本不会发生改变，而且支架孔隙性好，力学性能适宜。软骨细胞在LFDM成形的支架（低浓度PLGA支架）中呈圆形，增殖稳定，并且大量分泌细胞间基质。相反，FDM成形的支架中，由于结构膨胀，细胞数目很少，细胞间基质分泌较少。总之，LFDM为组织工程支架的成形提供了一个很好的方法！近净成形现有技术及新进展近净成形技术是指零件成形后，仅需少

39、量加工或不再加工，就可用作机械构件的成形技术。它是建立在新材料、新能源、机电一体化、精密模具技术、计算机技术、自动化技术、数值分析和模拟技术等多学科高新技术成果基础上，改造了传统的毛坯成形技术，使之由粗糙成形变为优质、高效、高精度、轻量化、低成本的成形技术。它使得成形的机械构件具有精确的外形、高的尺寸精度、形位精度和好的表面粗糙度。该项技术包括近净形铸造成形、精确塑性成形、精确连接、精密热处理改性、表面改性、高精度模具等专业领域，并且是新工艺、新装备、新材料以及各项新技术成果的综合集成技术。近净成形技术工艺很多，如传统的电渣精铸(包括电渣转注、电渣金属管材)、微弧冶炼、粉末冶金的基础上引入强制

40、冷却、快速凝固等技术，等静压成形、挤压成形、超塑成形、金属注射成形等实现合成和加工一次完成的近净成形技术。近净成形的特点如下：传统工艺与新技术的结合和发展；工艺先进、工序简化；生产效率高、质量稳定、产品易转化。下面介绍几种近净成形新技术及其发展应用。 橡胶等静压净成型技术(rubber isostatic pressing RIP)净成型技术由于具有低损耗、低成本、高效率等优点，在粉末冶金、陶瓷、磁材等行业被广泛应用。传统的炸药部件成型通常采用加工成型的方法，材料浪费率至少30，效率低，经二次加工后的原材料无法回收利用，也不能直接通过下水道排出，产生的大量废弃物，处理风险大，环境污染严重。橡胶

41、等静压净成型技术(rubber isostatic pressing RIP)是使炸药件通过压制成型后免加工或近免加工，减少原材料损耗，节约成本，降低生产周期，提高生产效率，使炸药成型过程更安全、更环保，做到绿色、安全生产。RIP净成型技术采用橡胶模具做传压介质，并在一个封闭的钢模内被压缩以使模具空腔内的粉末以一种准等静压的方式被压缩。该工艺最初是发展用于小厚度、 长中空管型试件的压制 ，Sagawa等改进了RIP技术，使其应用更广泛。RIP成型时，成型的粉体与金属模具没有直接接触，得到的成型件具有更均匀的密度分布 ， 因此，RIP技术对于难以压缩的粉体材料成型具有潜在的应用前景。Shima等

42、通过对金属材料RIP成型过程的数值模拟，发现压制条件对RIP成型件的形状及密度分布具有重要影响13。 溶液沉积制造技术(Liquid-Frozen Deposition Manufacturing L-FDM)L-FDM工艺是基于FDM的技术原理，在材料及其输送上加以改进而得到的一种新技术。这种技术起初是为了软骨组织工程而设计的，经过诸多实验验证表明，其成形的产品性能优于其他传统工艺。其原理图如下图12所示：图中计算机用于支架模型设计以及加工路线的生成，喷嘴与一个压力控制装置相连，聚合物溶液在一定压力下由喷嘴挤出并在低温工作台迅速凝固，层层沉积便得到三维支架模型，之后冷却干燥48小时便最终成型

43、12。图12 L-FDM原理图 增塑粉末挤压成形 (PEM)增塑粉末挤压成形(PEM)是指粉末与一定量的增塑剂混合后在较低温度( 200)下挤压成坯，然后通过脱脂及烧结等工序制成制品的工艺14。增塑粉末挤压成形技术对脆硬材质体系，尤其是硬质合金、钨基高比重合金等，是一项十分关键的新型成形技术，现已成为制取管、棒、条及其它异型产品的最有效的方法。其关键的工艺步骤主要包括粘结剂的设计与制备、粉末与粘结剂的混合、喂料挤压成形、挤压毛坯的脱脂与烧结。可以说粉末挤压成形技术是在塑料与金属加工的压挤工艺基础上演化而来的一种粉末冶金近净成形新技术，但与压挤工艺存在本质的差异，粉末挤压成形技术的核心内容是粘结

44、剂设计、制备与脱除及挤压流变过程分析与控制，它决定着该工艺的成败。20世纪80年代以来，增塑粉末挤压成形中采用以螺杆挤压机为代表的连续挤压设备，其自动化程度、工艺过程控制精度都有大幅度的提高，并大量采用了光电子监控、计算机在线适时控制等智能化部件，从而使得新一代挤压设备功能更加完善，操作更为方便，生产能力大大提高。随着新一代挤压设备的开发成功，增塑粉末挤压工艺技术进一步得到开发。目前已能够挤出直径0.5-32mm的棒材，壁厚小于0.3mm的管材，同时也生产出了各种形状、尺寸的蜂窝状横断面结构的陶瓷零件，产品有计算机打印针等电子工业用精密部件、汽车联合杆、汽车尾废气净化器等汽车工业粉末冶金产品传

45、统使用领域的各种零部件等等。美国RTW公司报道了用Wc-Co喂料挤压成形技术生产出用于印刷电路板钻孔的微型麻花钻；另外据报道，德国Konard Friedrichs公司已能生产直径达32mm并带有3个内螺旋冷却液孔的硬质合金挤压棒，这是目前文献报道中最大直径的挤压制品15。 热静液挤压(Hot hydrostatic Extrusion)挤压是一种常用的金属塑性加工工艺，也是一种实现金属粉末材料高致密化固结成形的有效工艺方法。挤压工艺的主要优点在于：材料在三向压应力状态下发生塑性变形，提高了工艺塑性与可允许变形程度，有利于进行单道次大变形率加工。但是，对于塑性差、变形抗力很大的难变形材料，采用

46、常规挤压工艺，往往存在挤压变形力过大、模具强度难以满足要求、挤压材料容易产生裂纹缺陷等问题，使挤压过程难以实现。热静液挤压(Hot hydrostatic Extrusion)是一种改进的挤压工艺方法。其不同于常规挤压之处在于在热静液挤图13 热静液挤压工艺示意图1-挤压凸模2-挤压介质3-挤压凹模4-挤压制件压过程中，坯料被热态粘性润滑传力介质包覆而完全与模具隔离，压力机载荷通过挤压凸模传递到挤压介质，坯料在挤压介质静液压力的作用下产生塑性变形，并在被挤压介质包覆的状态下由挤压凹模口挤出，如图13 所示，热静液挤压过程中，由于挤压坯料与模具之间存在传力润滑挤压介质，它既大大减少了摩擦力，也能在很大程度上阻止高温坯料向低温模具传热。因此，热静液挤压工艺具有显著降低挤压力、减少模具磨损、提高模具寿命、坯料变形均匀等优点，它非常适合难变形金属材料的挤压成形16。 消失模铸造技术( LFC)消失模铸造技术(LFC)是一种近无余量、精确成形的新技术，适合生产复杂零件，被称为是“代表21世纪的铸造新技术”和“铸造中的绿色工程”。它是采用泡沫塑料制作成与零件结构和尺寸完全一样的实型模样，经浸涂耐火涂料，烘干后进行干砂造型，振动紧实，然后浇入金属液使模样受热气化消失，从而得到与模样形状一致的金属零件的精密铸造方法。与其他铸造工艺相比，它具