全面解析3D打印FDM技术

由于在加工过程中不涉及激光技术，整体设备体积较小，耗材获取较为容易，打印成本也相对较低，FDM技术路径是面向个人的3D打印机的首选技术。今天小编就带你来了解一下FDM技术，从技术到应用市场，全面解析。

你拿着一根牙膏，牙膏热的发烫，你把它一挤出来就会马上凝固。你把这根牙膏头朝下拿着，在一个水平面上边挤边水平方向移动，就跟写毛笔字似的，等你完成这个面上的工作后，这个平面突然往下降了一点，你接着又在第二个平面上挤牙膏，你挤出来的牙膏和之前的牙膏粘在一起，你不断的重复以上过程，先挤出的牙膏固化，成为后挤出牙膏的支撑。这个就是FDM！！！

熔融沉积FDM

熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料融化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。大致结构如下图所示：

在3D打印技术中，FDM的机械结构最简单，设计也最容易，制造成本、维护成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面级3D打印机中使用得最多的技术，而工业级FDM机器，主要以Stratasys公司产品为代表。

FDM技术的优势在于制造简单，成本低廉，但是桌面级的FDM打印机，由于出料结构简单，难以精确控制出料形态与成型效果，同时温度对于FDM成型效果影响非常大，而桌面级FDM 3D打印机通常都缺乏恒温设备，因此基于FDM的桌面级3D打印机的成品精度通常为0.3mm-0.2mm，少数高端机型能够支持0.1mm层厚，但是受温度影响非常大，成品效果依然不够稳定。此外，大部分FDM机型制作的产品边缘都有分层沉积产生的“台阶效应”，较难达到所见即所得的3D打印效果，所以在对精度要求较高的快速成型领域较少采用FDM。

FDM的工艺原理

FDM熔融层积成型技术已由美国STRATASYS公司在世界发达国家注册了专利。其基本原理为FDM INSIGHT软件自动将3D数模（由CATIA或UG、PRO-E等三维设计软件得到）分层，自动生成每层的模型成型路径和必要的支撑路径。材料的供给分为模型材料卷和支撑材料卷。相应的热融头也分为模型材料喷头和支撑材料喷头。热融头会把ABS材料加热至220°C成熔融状态喷出，由于成型室保持70°C，该温度下熔融的ABS材料既可以有一定的流动性又能保证很好的精度。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层。如此直到工件完成。

熔融沉积造型技术的加工的每一个产品，从最初的造型到最终的加工完成主要经历的过程如下：

(1)建立成型件的三维CAD模型。因为三维CAD模型数据是成型件的真实信息的虚拟描述，它将作为快速成型系统的输入信息，所以在加工之前要先利用计算机软件建立好成型件的三维CAD模型。这种三维模型可以通过Solid Works ,Pro/E, UG等软件来完成，并且这些软件都具有很好的通用性。

(2)三维CAD模型的近似处理。由于要成型的零件通常都具有比较复杂的曲面，为了便于后续的数据处理和减小计算量，我们首先要对三维CAD模型进行近似处理。在这里我们采用STL格式文件对模型进行近似处理，它的原理是用很多的小三角形平面来代替原来的面，相当于将原来的所有面进行量化处理，而后用三角形的法向量以及它的三个顶点坐标对每个三角形进行唯一标识，可以通过控制和选择小三角形的尺寸来达到我们所需要的精度要求。由于生成STL格式文件方便、快捷，且数据存储方便，目前这种文件格式己经在快速成型制造过程中得到了广泛的应用。而且计算机辅助设计软件均具有输出和转换这种格式文件的功能，这也加快了该数据格式的应用和普及。

(3)三维CAD模型数据的切片处理。快速成型实际完成的是每一层的加工，然后工作台或打印头发生相应的位置调整，进而实现层层堆积。因此想要得到打印头的每层行走轨迹，就要获得每层的数据。故对近似处理后的模型进行切片处理，提取出每层的截面信息，生成数据文件，再将数据文件导入到快速成型机中。切片时切片的层厚越小，成型件的质量越高，但加工效率变低，反之则成型质量低，加工效率提高。

(4)实际加工成型快速成型机在数据文件的控制下，打印头按照所获得的每层数据信息逐层扫描，一层一层的堆积，最终完成整个成型件的加工。

(5)成型件的后处理从打印机中取出的成型件，还要进行去支撑、打磨、抛光等处理，进一步提高打印的成型质量。

FDM研究现状

目前国外研究这种工艺的公司主要有MakerBot公司、Stratasys公司、3D Systems公司、以色列的Object公司等。其中Stratasys公司处于领导者的位置，在1993年就推出了世界上第一台商业化机型FDM-16_50快速成型机，此后又推出了该型号的系列产品。

MakerBot公司作为当今个人级3D打印设备的领头羊企业，采用的技术是根据计算机中的空间扫描图，在塑料薄层上喷涂原材料，层层粘连堆积，形成成型精度很高的三维模型。其明星产品Replicator 2在过去曾经被多次选为全球最佳桌面3D打印机，其在控制、算法和材料等方面的优势，相较于前几代是巨大的。之后2014年推出其第五代产品。但是其销量都不尽人意。不过到目前为止，MakerBot仍旧在个人级3D打印设备占据着重要的位置。

Stratasys公司是一家领先的3D打印机的制造商和快速原型设计和制造应用生产系统的供应商。该公司的专利包括FDM（R）和PolyJet（R）（即直接从3D CAD文件生产原型和制成品工艺），及其它3D打印有关的技术。系统包括经济实惠的用于概念设计的桌面3D打印机，一系列的原型机制造系统，和直接数字化制造的大型生产系统。3D打印材料超过130种，是同行业内3D打印材料种类最多的公司，包括超过120种专有的喷墨基感光聚合材料和10个专有的基于FDM的热塑性材料。Stratasys公司还生产Solidscape 3D打印机和经营红眼（RedEye）按需数字制造服务。以色列的Object公司作为世界超薄层厚光敏树脂喷射成型技术的领导者，创造ObietPolvJetMatrix技术，实现了不同模型材料同时喷射的技术，材料使用的是ABS与热塑性塑料的混合，主要产品有Dimension 1200es。据报道称这两家公司在2012年的时候合并，新的公司以Stratasys的名字继续运营。

3D systems 是SLA（Stereolithography）技术的发明者，同时也是.STL文件格式的专利拥有者，并拥有选择性激光烧结——SLS，多喷建模（Multi-jet Modeling）和膜转印成像（film transfer imaging）等技术。在基于FDM工艺的产品中，3D Systems公司推出个人家用的3D打印机Cube系列，以其简易性和高可靠性著称，使用的打印材料为ABS和PLA。

国内的科研技术人员自20世纪90年代初期才开始进入到快速成型技术的研究中。虽然我们也有了20多年的发展，但目前我国在RP技术方面的水平基本上处于向国外先进的技术和工艺学习的阶段，国内也有一些有实力的大学和科研院所也开始着手于相关创新工艺的开发和研究。比如，国家863项目中就有这一技术发展分支，中国科学院沈阳自动化所就是基于国家立项的支持，进行了有关成型材料(金属材料、异质材料、纳米晶陶瓷材料等)方面的研究，目前己获得了一定的成果。清华大学进行了熔融沉积造型、光固化立体造型、分层实体造型等快速成型技术的研究工作，各种成型工艺都己推出了比较成熟的产品，并在此基础上成功研制出了多功能应用的快速成型设备。此外，华南理工大学、华中科技大学、南昌大学、西安交通大学、上海交通大学、浙江大学等也开展了FDM技术的研究工作。

FDM技术的优缺点及改进方式

FDM的优点

1、制造系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的危险。

2、可快速构建瓶状或中空零件。

3、塑材丝材清洁，更换容易：与其他使用粉末和液态材料的工艺相比，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态污染。

4、不使用激光，维护简单，成本低：价格是成型工艺是否适于三维打印的一个重要因素。多用于概念设计的三维打印机对原型精度和物理化学特性要求不高，便宜的价格是其能否推广开来的决定性因素。

5、可选用多种材料，如可染色的ABS和医用ABS、PC、PPSF等。

6、后处理简单：仅需要几分钟到一刻钟的时间，剥离支撑后原型即可使用。

FDM的缺点

FDM型3D打印机虽然经过了几十年的发展并且得到广泛的应用，但它仍存在很多不足之处，比如成型精度低、打印速度慢、智能化程度低以及使用的原材料有诸多限制等。

缺陷一：成型精度低与打印速度慢。这是FDM型3D打印机的主要限制因素，但是，由于成型精度和打印效率呈反比关系，即高速打印获得低精度产品，低速打印获得高精度产品，一味地追求高精度将使打印速度大幅度降低，这并不是工业领域所希望的。因此，要解决精度低与速度慢的问题，必须要使两者均得到足够的关注，此时，我们可以使新技术兼容和继承老技术，即增材制造结合切削减材制造技术，具体来说，就是把传统切削加工应用到3D打印成型过程中，采用低精度的打印工艺，保证成型速度，然后用去除材料的措施来保证成型精度。

缺陷二：控制系统智能化水平低。虽然采用FDM 技术的3D打印机操作相对简单，但在成型过程中，仍会出现问题，这就需要有丰富经验的技术人员操作机器，以随时观察成型状态，因为当成型过程中出现异常时，现有系统无法进行识别，也不能自动调整，如果不去人工干预，将造成无法继续打印或将缺陷留在工件里，这一操作上的限制将影响3D打印的普及性。因此，3D打印机智能化非常重要，“智能识别和反馈功能”将是目前3D打印系统迫切需要的，可以通过软件的开发让3D打印机具备自学习功能，最终实现3D打印机向“3D打印机器人”的转变。

缺陷三：打印材料限制性较大。目前在打印材料方面存在很多缺陷，根据前文有关材料的介绍，可以看出材料种类和环保性方面存在的问题正在逐步解决，但是，仍有许多方面有待进一步改进，比如FDM用打印材料易受潮、成型过程中和成型后存在一定的收缩率等。打印材料受潮，将影响熔融后挤出的顺畅性，易导致喷头堵塞，不利于工件的成型，因此，用于FDM的打印材料要密封储存，使用时要进行适当的烘干处理；塑性材料在熔融后凝固的过程中，均存在收缩性，这会造成的问题主要是打印过程中工件的翘曲或脱落和打印完成后工件的变形，影响加工精度，浪费打印材料，改进办法主要是选用收缩率低的材料、采用恒温舱等。

FDM用成型材料

FDM打印材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，以丝状供料（卷轴丝），材料成本低。与其他使用粉末和液态材料的工艺相比，丝材更干净，易于更换、保存，不会形成粉末或液体污染。FDM打印耗材对线丝的要求比较严格，材料经过齿轮卷进喷头，齿轮和固定轮之间的距离是恒定的，若丝线太粗，则会造成无法送丝或损坏送丝机构，反之，丝线太细，送丝机构会感应不到丝的存在，因此要求丝材具有固定的规格，分为直径1.75ｍｍ和３ｍｍ两种；FDM采用热塑成型的方法，丝材要经受“固态－液态－固态”的转变，对材料的特性、成型温度、成型收缩率等有着特定的要求，这不仅限制了所用材料的种类，也增加了打印机的研发难度。

表１所示为目前使用较多的几种材料，从中可以看出：不同的材料有着不同的成型温度、不同的收缩率以及不同的性能等。除了这些常用的材料外，FDM使用的材料还有俗称聚纤维酯的PPSF/PPSU、 PEI塑料ULTEM9085以及水溶性材料，PPSF/PPSU是所有热塑性材料里面强度最高、耐热性最好、抗腐蚀性最高的材料，呈琥珀色，热变形温度接近190℃；PEI塑料ULTEM9085强度高、耐高温、抗腐蚀，热变形温度150℃左右，收缩率仅为0.1％～0.3％，稳定性极好。

ABS材料。ABS是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，为五大合成树脂之一，具有抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能优良，还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点，容易涂装、着色，还可以进行表面喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工，广泛应用于机械、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑等工业领域，是一种用途极广的热塑性工程塑料。

ABS材料

作为一种用途广泛的合成树脂，ABS价格主要影响因素为国际原油价格，近期国际原油价格持续低迷，ABS价格也出现下跌，2015年以来ABS均价为12451元/吨，较2015年均价下跌14%，预计短期内ABS价格很难出现上涨，从历年的情况看，ABS均价在15000元/吨左右。

PC材料。PC即聚碳酸酯，是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多种类型，具有高弹性系数、高冲击强度、使用温度范围广、高度透明性及自由染色性、成形收缩率低、尺寸安定性良好、耐疲劳性佳、耐候性佳、电气特性优、无味无臭对人体无害符合卫生安全等特点，可用于光盘、汽车、办公设备、箱体、包装、医药、照明、薄膜等多个领域。

PC材料具有高弹性系数、高冲击强度、使用温度范围广、高度透明性等特点

PC材料的光盘

随着产能的不断扩增，PC价格近年来总体上呈下跌趋势，2015年以来，由于下游需求的回暖，PC均价为19250元/吨，较去年同期上涨8%左右，从近年来的情况看，2010年以来 PC均价为19650元/吨。

PP材料。PP即聚丙烯，是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂，其无毒、无味，密度小，强度、刚度、硬度耐热性均优于低压聚乙烯,可在100℃左右使 用。具有良好的介电性能和高频绝缘性且不受湿度影响，但低温时变脆，不耐磨、易老化。适于制作一般机械零件、耐腐蚀零件和绝缘零件。常见的酸、碱等有机溶剂对它几乎不起作用，可用于食具。

PP材料无毒、无味、密度小，具有良好的介电性能和高频绝缘性

2015年以来，在国际原油价格持续低迷背景下，PP失去成本支撑，价格有所下滑，2015年以来均价为10196元/吨，较2014年均价下跌14%，统计显示，2006年以来PP均价为12120元/吨。

PLA材料。PLA即聚乳酸，其热稳定性好，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用途十分广泛，可用作包装材料、纤维和非织造物等，目前主要用于服装、工业和医疗卫生等领域。

PLA材料热稳定性好，有好的抗溶剂性

目前PLA均价在 21000元/吨左右，其价格高于ABS、PC、PP等石化路径工程塑料，原因是聚乳酸原料来自于玉米等农作物生物发酵，成本相对较高，也因为如此，其环境友好程度较高。

合成橡胶材料 。为了区别于天然橡胶，统一将用化学方法人工合成的橡胶称为合成橡胶，能够有效弥补天然橡胶产量不足的问题，合成橡胶一般在性能上不如天然橡胶全面，但它具有高弹性、绝缘性、气密性、耐油、耐高温或低温等性能，因而广泛应用于工农业、国防、交通及日常生活中。

支撑材料。顾名思义是在3D打印过程中对成型材料起到支撑作用的部分，在打印完成后，支撑材料需要进行剥离，因此也要求其具有一定的性能，目前采用的支撑材料一般为水溶性材料，即在水中能够溶解，方便剥离。具体特性要求如下表：

FDDM技术对支撑材料的要求
性能	具体要求	原因
耐温性	耐高温	由于支撑材料要与成型材料在支撑面上接触，所以支撑材料必须能够承受成型材料的高温，在此温度下不产生分解与融化。
与成型材料的亲和性	与成型材料不浸润	支撑材料是加工中采取的辅助手段，在加工完毕后必须除掉，所以支撑材料与成型材料的亲和性不应太好。
溶解性	具有水溶性或者酸溶性	对于具有很复杂的内腔、孔隙等原型，为了便于后处理，可通过支撑材料在某种液体里溶解而去支撑。由于现在FDM使用的成型材料一般是ABS工程塑料，该材料一般可以溶解在有机溶剂中，所以不能使用有机溶剂。目前，已开发出水溶性支撑材料。
熔融温度	低	具有较低的熔融温度可以使材料在较低的温度挤出，提高喷头的使用寿命。
流动性	高	由于支撑材料的成型精度要求不高，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，对于粘性可以差一些。

总结起来，FDM对支撑材料的具体要求是能够承受一定的高温、与成型材料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性要好等。

FDM的适应范围

概念建模

这种工艺方法适合于产品设计的概念建模以及产品的功能测试。由于甲基丙烯酸ABS （MOBS）材料具有很好的化学稳定性，可采用伽玛射线消毒，特别适用于医用。但成形精度相对较低，不适合于制作结构过分复杂的零件。

在产品设计评估与校审方面

FDM技术可以将CAD的设计构想快速、精确、而又经济地生成可触摸的物理实体，比将三维的几何造型展示于二维的屏幕或图纸上具有更高的直观性和启示性。设计人员可以更快，更易地发现设计中的错误。更重要的是，对成品而言，设计人员可及时体验其新设计产品的使用舒适性和美学品质。FDM生成的模型也是设计部门与非技术部门交流的更好中介物。

快速塑料零件制造

材料性能一直是FDM工艺的主要优点，其ABS原型强度可以达到注塑零件的三分之一。今年来又发展出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。虽然直接金属零件成型（近年来许多研究机构和公司都在进行这方面的研究，是当今快速原型领域的一个研究热点）的材料性能更好，但在塑料零件领域，FDM工艺是一种非常适宜的快速制造方式。随着材料性能和工艺水平的进一步提高，我们相信，会有更多的FDM原型在各种场合直接使用。

FDM具体实例应用

1、医学3D模型的应用

利用3D打印机打印出来的医学实体模型使用十分广泛，主要表现在: ① 从二维CT 图形到三维实体模型，可以直观地呈现出病变部位，有助于进行手术分析、术前规划及医患交流。② 模拟手术过程。例如骨骼骨折手术中对受损骨骼的校正，利用三维模型可以模拟手术过程，确定最佳治疗方案。③ 假体植入设计。利用3D 打印机快速制作假体并进行模拟分析，反复修改后，制作生物相容性良好的假体，大大提高假体植入手术的水平和使用寿命。④ 应用于教学中，可以根据实际案例制作实体模型，有利于帮助学生更好地掌握手术操作技能。如图是FDM 型3D 打印机制作的骨盆和部分脊柱。

2、复合材料模具的制作

目前复合材料制造总成本的大部分一般是由工装和模具构成，它们包括昂贵和复杂的加工。为了满足设计要求，也需要技术熟练的工人和较长的研制周期。

工装和模具可以在一个自动化工艺中直接用3D打印中所采用的CAD 文件进行制造，提供更短的研制周期、更低的成本和更高的精度。在先进的3D打印制造技术中，熔融沉积成型（FDM）能够快速具成本效益地生产复合材料用模具，特别是针对复杂部件。适用于聚合物增强复合材料用耐高温模具的FDM 热塑性塑料已被开发出来。例如，UTLEM9085是一种高性能热塑性塑料（见表2），专用于商业运输业，特别是航空、航海和地面车辆。与3D生产系统相结合，ULTEM9085使设计和制造工程师们可以生产全功能部件，适用于先进的功能原型或终端应用，没有传统模具的成本和研制周期。

总结

由于在加工过程中不涉及激光技术，整体设备体积较小，耗材获取较为容易，打印成本也相对较低，因此FDM技术路径是面向个人的3D打印机的首选技术，通过采用FDM技术的3D打印机，设计人员可以在很短的时间内设计并制作出产品原型，并通过实体对产品原型进行改进，与传统的计算机建模相比，能够真实的将实物展现在设计人员的面前。同时FDM技术也可以在各种文娱创意领域中广泛应用，能够满足人们对一些产品的个性化定制服务，随着人民生活水平的提高，这种需求将不断增加。随着FDM技术的不断加深研究，其相应的应用缺陷得以改进，FDM技术将得到极大的发展和应用。