疊加的魅力 3D打印之熔融沉積成型技術
FDM（Fused Deposition Modeling）中文全稱為熔融沉積成型，是目前應用最為廣泛的3D打印技術，該技術是美國Stratasys公司于上世紀八十年代末發明。1992年該公司推出世界上第一款基于FDM技術的3D打印機，標志著FDM技術步入商用階段。2009年FDM關鍵技術專利到期，各種基于FDM技術的3D打印公司開始大量出現，行業迎來快速發展期。
疊加的魅力 3D打印之熔融沉積成型技術
對于3D打印而言，材料是關鍵所在，FDM技術路徑涉及的材料主要包括成型材料和支撐材料，根據技術特點，要求成型材料具有熔融溫度低、粘度低、粘結性好、收縮率小等特點；支撐材料要求具有能夠承受一定的高溫、與成型材料不浸潤、具有水溶性或者酸溶性、具有較低的熔融 溫度、流動性要好等特點。
FDM應用領域包括概念建模、功能性原型制作、制造加工、最終用途零件制造、修整等方面，涉及汽車、醫療、建筑、娛樂、電子等領域，隨著技術的進步，FDM的應用還在不斷拓展。
3D打印的電動汽車
3D打印的醫療用具
3D打印的建筑
FDM技術優點包括成本低、成型材料范圍較廣、環境污染較小、設備及材料體積較小、原料利用率高、后處理相對簡單等；缺點包括成型時間較長、精度低、需要支撐材料等。
與其他3D打印技術相比，FDM技術不涉及激光、高溫、高壓等危險環節，同時其體積也較小，是成本相對較低的3D打印技術，能夠大量應用于家庭及辦公室環境，隨著關鍵技術專利的到期，FDM的各種應用領域還在不斷拓展，前景值得期待。
2一、FDM技術概況
一、FDM技術的概況
1、3D打印技術路徑概況
3D打印（3D Printing）技術，是在計算機控制下，基于“增材制造”原理， 立體逐層堆積離散材料，進行零件原型或最終產品的成型與制造的技術。該技術以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，將3D實體變為若干個2D平面，利用激光束、電子束、熱熔噴嘴等方式將粉末、熱塑性材料等特殊材料進行逐層堆積粘結，最終疊加成型，制造出實體產品。
3D打印工藝原理
經過幾十年的發展，目前已經開發出多種3D打印技術路徑，從大類上劃分為擠出成型、粒狀物料成型、光聚合成型和其他成型幾大類，基礎成型主要代表技術路徑為熔融沉積成型（FDM）；粒狀物成型技術路徑主要包括電子束熔化成型（EBM）、選擇性激光燒結（SLS）、三維打印（3DP）、選擇性熱燒結（SHS）等；光聚合成型主要包括光固化（SLA）、數字光處理（DLP）、聚合物噴射（PI）；其他技術包括激光熔覆快速制造技術（LENS）、熔絲制造（FFF）、 融化壓模（MEM）、層壓板制造（LOM）等。
| 3D打印主要實現技術 | ||
| 類型 | 技術 | 基本材料 |
| 擠出成型 | 熔融沉積（FDM） | 熱塑性材料（如PLA、ABS）、共融金屬、可食用材料 |
| 粒狀物料成型 | 直接金屬激光燒結（DMLS） | 幾乎任何金屬合金 |
| 電子束熔煉（EBM） | 鈦合金 | |
| 選擇性熱燒結（SHS） | 熱塑性粉末 | |
| 選擇性激光燒結（SLS） | 熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末 | |
| 基于粉末床、噴頭和石膏的3D打印（PP） | 石膏 | |
| 光聚合成型 | 光固化成型（SLA） | 光敏聚合物 |
| 數字光處理 （DLP） | 液體樹脂 | |
熔融沉積成型FDM工藝一般是熱塑性材料，以絲狀形態供料
其中FDM、SLA、LOM、SLS、3DP為主流技術，熔融沉積成型FDM工藝一般是熱塑性材料，以絲狀形態供料。材料在噴頭內被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結；光固化快速成形SLA，又稱立體光刻、光成形等，是一種采用激光束逐點掃描液態光敏樹脂使之固化的快速成型工藝；疊層實體制造LOM工藝是快速原型技術中具有代表性的技術之一，是基于激光切割薄片材料、由黏結劑黏結各層成形；選擇性激光燒結SLS工藝，是采用紅外激光作為熱源來燒結粉末材料，并以逐層堆積方式成形三維零件的一種快速成形技術；3DP工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。
2、FDM發展歷程
熔融沉積成型（FDM，Fused Deposition Modeling）是上世紀八十年代末，由美國Stratasys公司發明的技術，是即光固化快速成型（SLA）和疊層實體 快速成型工藝（LOM）后的另一種應用比較廣泛的3D打印技術路徑。1992年，Stratasys公司推出了世界上第一臺基于FDM技術的3D打印機——“3D 造型者（3D Modeler）”，這也標志著FDM技術步入商用階段。由于FDM工藝不需要激光系統支持，成型材料多為ABS、PLA等熱塑性材料，因此性價比較高，是桌面級3D打印機廣泛采用的技術路徑。
太爾時代是國內桌面級3D打印機的代表企業
國內方面，對于FDM技術的研究最早包括清華大學、西安交大、華中科大等幾所高效進行，其中，清華大學下屬的企業于2000年推出了基于FDM技術的商用3D打印機，近年來也涌現出北京太爾時代、杭州先臨三維等多家將3D打印機技術商業化的企業。
2009年FDM關鍵技術專利過期，基于FDM的3D打印公司開始大量出現，行業也迎來了快速發展期，相關設備的成本和售價也大幅降低，數據顯示，專利到期之后桌面級FDM打印機從超過1萬美元下降至幾百美元，銷售數量也從幾千臺上升至幾萬臺。
3、FDM工藝原理
FDM的工作原理是將絲狀原料通過送絲部件送入熱熔噴頭，然后在噴頭內被加熱融化，在電腦控制下噴頭沿著零件截面輪廓和填充軌跡運動，將半流動狀態的材料送到指定位置并最終凝固，同時與周圍材料粘結，選擇性地逐層融化與覆蓋，最終形成成品。
FDM成型過程簡圖
一套完成的FDM制造系統包括硬件系統、軟件系統，硬件系統主要指3D打印機本身，一臺利用FDM技術的3D打印機包括工作平臺、送絲裝置、加熱噴頭、儲絲設備和控制設備五大部分組成。
3二、FDM系統材料
二、FDM系統材料
材料是3D打印技術的關鍵所在，對于FDM來說也不例外，FDM系統的材料主要包括成型材料和支撐材料，成型材料主要為熱塑性材料，包括ABS、PLA、人造橡膠、石蠟等；支撐材料目前主要為水溶性材料。
1、成型材料
成型材料是利用FDM技術實現3D打印的載體，對其粘度、熔融溫度、粘結性、收縮率等方面均有較高的要求，具體要求如下：
| FDM技術對成型材料的要求 | ||
| 性能 | 具體要求 | 原因 |
| 粘度 | 低 | 材料的粘度低，流動性好，阻力就小，有助于材料順利擠出。材料的流動性差，需要很大的送絲壓力才能擠出，會增加噴頭的啟停響應時間，從而影響成型精度。 |
| 熔融溫度 | 低 | 熔融溫度低可以使材料在較低溫度下擠出，有利于提高噴頭和整個機械系統的壽命，可以減少材料在擠出前后的溫差，減少熱應力，從而提高原型的精度。 |
| 粘結性 | 高 | FDM工藝時基于分層制造的一種工藝，層與層之間往往是零件強度最薄弱的地方，粘結性好壞決定了零件成型以后的強度，粘結性過低，有時在成型過程中因熱應力會造成層與層之間的開裂。 |
| 收縮率 | 小 | 由于擠出時，噴頭內部需要保持一定的壓力才能將材料順利擠出，擠出后材料絲一般會發生一定程度的膨脹。如果材料收縮率對壓力比較敏感，會造成噴頭擠出的材料絲直徑與噴嘴的名義直徑相差太大，影響材料的成型精度，FDM成型材料的收縮率對溫度太敏感，否則會產生零件翹曲、開裂。 |
總結起來，FDM對成型材料的具體要求是熔融溫度低、粘度低、粘結性好、收縮率小。根據上述特性，目前市場上主要的FDM成型材料包括 ABS、PC、PP、 PLA、合成橡膠等。
ABS材料。ABS是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，為五大合成樹脂之一，具有抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性、耐化學藥品性及電氣性能優良，還具有易加工、制品尺寸穩定、表面光澤性好等特點，容易涂裝、著色，還可以進行表面噴鍍金屬、電鍍、焊接、熱壓和粘接等二次加工，廣泛應用于機械、汽車、電子電器、儀器儀表、紡織和建筑等工業領域，是一種用途極廣的熱塑性工程塑料。
ABS材料
作為一種用途廣泛的合成樹脂，ABS價格主要影響因素為國際原油價格，近期國際原油價格持續低迷，ABS價格也出現下跌，2015年以來ABS均價為12451元/噸，較2015年均價下跌14%，預計短期內ABS價格很難出現上漲，從歷年的情況看，ABS均價在15000元/噸左右。
PC材料。PC即聚碳酸酯，是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根據酯基的結構可分為脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多種類型，具有高彈性系數、高沖擊強度、使用溫度范圍廣、高度透明性及自由染色性、成形收縮率低、尺寸安定性良好、耐疲勞性佳、耐候性佳、電氣特性優、無味無臭對人體無害符合衛生安全等特點，可用于光盤、汽車、辦公設備、箱體、包裝、醫藥、照明、薄膜等多個領域。
PC材料具有高彈性系數、高沖擊強度、使用溫度范圍廣、高度透明性等特點
PC材料的光盤
隨著產能的不斷擴增，PC價格近年來總體上呈下跌趨勢，2015年以來，由于下游需求的回暖，PC均價為19250元/噸，較去年同期上漲8%左右，從近年來的情況看，2010年以來 PC均價為19650元/噸。
PP材料。PP即聚丙烯，是由丙烯聚合而制得的一種熱塑性樹脂，其無毒、無味，密度小，強度、剛度、硬度耐熱性均優于低壓聚乙烯,可在100℃左右使 用。具有良好的介電性能和高頻絕緣性且不受濕度影響，但低溫時變脆，不耐磨、易老化。適于制作一般機械零件、耐腐蝕零件和絕緣零件。常見的酸、堿等有機溶劑對它幾乎不起作用，可用于食具。
PP材料無毒、無味、密度小，具有良好的介電性能和高頻絕緣性
2015年以來，在國際原油價格持續低迷背景下，PP失去成本支撐，價格有所下滑，2015年以來均價為10196元/噸，較2014年均價下跌14%，統計顯示，2006年以來PP均價為12120元/噸。
PLA材料。PLA即聚乳酸，其熱穩定性好，有好的抗溶劑性，可用多種方式進行加工，如擠壓、紡絲、雙軸拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成的產品除能生物降解外，生物相容性、光澤度、透明性、手感和耐熱性好，還具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用途十分廣泛，可用作包裝材料、纖維和非織造物等，目前主要用于服裝、工業和醫療衛生等領域。
PLA材料熱穩定性好，有好的抗溶劑性
目前PLA均價在 21000元/噸左右，其價格高于ABS、PC、PP等石化路徑工程塑料，原因是聚乳酸原料來自于玉米等農作物生物發酵，成本相對較高，也因為如此，其環境友好程度較高。
合成橡膠材料。為了區別于天然橡膠，統一將用化學方法人工合成的橡膠稱為合成橡膠，能夠有效彌補天然橡膠產量不足的問題，合成橡膠一般在性能上不如天然橡膠全面，但它具有高彈性、絕緣性、氣密性、耐油、耐高溫或低溫等性能，因而廣泛應用于工農業、國防、交通及日常生活中。
支撐材料。顧名思義是在3D打印過程中對成型材料起到支撐作用的部分，在打印完成后，支撐材料需要進行剝離，因此也要求其具有一定的性能，目前采用的支撐材料一般為水溶性材料，即在水中能夠溶解，方便剝離。具體特性要求如下表：
| FDM技術對支撐材料的要求 | ||
| 性能 | 具體要求 | 原因 |
| 耐溫性 | 耐高溫 | 由于支撐材料要與成型材料在支撐面上接觸，所以支撐材料必須能夠承受成型材料的高溫，在此溫度下不產生分解與融化。 |
| 與成型材料的親和性 | 與成型材料不浸潤 |
支撐材料是加工中采取的輔助手段，在加工完畢后必須除掉，所以支撐材料與成型材料的親和性不應太好。 |
| 溶解性 | 具有水溶性或者酸溶性 | 對于具有很復雜的內腔、孔隙等原型，為了便于后處理，可通過支撐材料在某種液體里溶解而去支撐。由于現在FDM使用的成型材料一般是ABS工程塑料，該材料一般可以溶解在有機溶劑中，所以不能使用有機溶劑。目前，已開發出水溶性支撐材料。 |
| 熔融溫度 | 低 | 具有較低的熔融溫度可以使材料在較低的溫度擠出，提高噴頭的使用壽命。 |
| 流動性 | 高 | 由于支撐材料的成型精度要求不高，為了提高機器的掃描速度，要求支撐材料具有很好的流動性，相對而言，對于粘性可以差一些。 |
總結起來，FDM對支撐材料的具體要求是能夠承受一定的高溫、與成型材料不浸潤、具有水溶性或者酸溶性、具有較低的熔融溫度、流動性要好等。
4三、FDM技術的應用
三、FDM技術的應用
根據國際3D打印巨頭，同時也是FDM發明者的Stratasys公司資料顯示，FDM應用領域包括概念建模、功能性原型制作、制造加工、最終用途零件制造、修整等方面，涉及汽車、醫療、建筑、娛樂、電子、教育等領域。
1、概念建模
概念建模的應用主要涉及建筑模型、人體工程學研究、市場營銷和設計方面。
3D打印建筑模型
建筑建模。計算機模擬在工程設計和建筑領域已經應用了很長一段時間。但是，建筑可視化的傳統做法是使用木材或泡沫板制作建筑的等比例模型。這使得建筑師可以看到建筑在實際空間中如何矗立，以及是否存在任何可以改正的問題。而3D打印結合了計算機模擬的精確性和等比例模型的真實性，能夠有效降低設計成本和開發時間，同時通過等比例的模型可以對建筑進行改良，增加安全性和合理性。
3D打印符合人體工程學的鍵盤
人體工程學設計。正確的人體工程學設計對預防受傷以及加強工作效率必不可少。3D打印的模型允許在開發流程期間就對人體工程學性能進行精確地測試。通過3D打印技術，設計人員可以創作出逼真的模型，再現產品每個單獨部件的物理特性。在多次測試周期期間可以對材料進行修改，從而實現在將產品全面投入生產前對其人體工程學方面進行優化。
3D打印奧斯卡小金人
市場營銷和設計。利用FDM技術構建的模型可以進行打磨、上漆、甚至鍍鉻，從而達到與新產品最終外觀一致的目的。FDM使用生產級的熱塑塑料，因此模型可以獲得與最終產品一樣的耐用性和使用感受。
2、功能性原型制作
在產品設計初期，可以利用FDM技術快速獲得產品原型，而通過FDM技術獲得的原型本身具有耐高溫、耐化學腐蝕等性能，能夠通過原型進行各種性能測試，以改進最終的產品設計參數，大大縮短了產品從設計到生產的時間。
3、制造加工
由于FDM技術可以采用高性能的生產級別材料，可以在很短的時間內制造標準工具，并可進行小批量生產，通過小批量生產可以使用與最終產品相同的流程和材料來創建原型，并在等待最終模具從車間發往各地的同時，即可將新產品上市。
4、最終用途零件
FDM技術可制造業界最為耐用、穩定、可重復使用的部件。其精度可媲美注塑成形，且能使用多種熱塑性材料，通過FDM技術，制造商可以抓住更多小批量制造、定制最終用途零件和工廠自動化的機會。
5、FDM應用案例
豐田公司利用FDM技術制作母模
豐田公司采用FDM工藝制作右側鏡支架和四個門把手的母模，通過快速模具技術制作產品而取代傳統的CNC制模方式，使得2000 Avalon車型的制造成本顯著降低，右側鏡支架模具成本降低20萬美元，四個門把手模具成本降低30萬美元。FDM工藝已經為豐田公司在轎車制造方面節省了200萬美元。
美國Mizunos公司利用FDM技術制造新產品母模
Mizuno是世界上最大的綜合性體育用品制造公司，公司計劃開發一套新的高爾夫球桿，通常需要13個月的時間。FDM的應用大大縮短了這個過程，設計出的新高爾夫球頭用FDM制作后，可以迅速地得到反饋意見并進行修改，大大加快了造型階段的設計驗證，一旦設計定型，FDM最后制造出的ABS原型就可以作為加工基準在CNC機床上進行鋼制母模的加工。新的高爾夫球桿整個開發周期在7個月內就全部完成，縮短了40%的時間。目前，FDM快速原型技術已成為Mizuno美國公司在產品開發過程中起決定性作用的組成部分。
FDM技術在福特汽車公司中的應用
福特車門襯板
福特公司常年需要部件的襯板，當部件從一廠到另一廠的運輸過程中，襯板用于支撐、緩沖和防護。襯板的前表面根據部件的幾何形狀而改變。福特公司一年間要采用一系列的襯板，一般地，每種襯板改型要花費成千萬美元和12周時間制作必需的模具。新襯板的注塑消失模被聯合公司選作生產部后，部件的蠟靠模采用FDM制作，制作周期僅3天。其間，必須小心的檢驗蠟靠模的尺寸，測出模具收縮趨向。緊接著從鑄造石蠟模翻出A2鋼模，該處理過程將花費一周時間。模具接著車削外表面，劃上修改線和水平線以便機械加工。該模具在模具后部設計成中空區，以減少用鋼量，中空區填入化學粘結瓷。僅花5周時間和一半的原來成本，而且制作的模具至少可生產3萬套襯板。采用FDM工藝后，福特汽車公司大大縮短了運輸部件襯板的制作周期，并顯著降低了制作成本。
5四、FDM技術優缺點
四、FDM技術優缺點
與其他3D打印技術路徑相比，FDM具有成本低、原料廣泛等優點，同樣存在成型精度低、支撐材料難以剝離等特點，下面做簡要分析。
FDM技術的優缺點
1、具有的優點
成本低。FDM技術不采用激光器，設備運營維護成本較低，而其成型材料 也多為 ABS、PC 等產用工程塑料，成本同樣較低，因此目前桌面級3D打印機多采用FDM技術路徑。
成型材料范圍較廣。通過上述分析我們知道，ABS、PLA、PC、PP 等熱塑性材料均可作為FDM路徑的成型材料，這些都是常見的工程塑料，易于取得，且成本較低。
環境污染較小。在整個過程中只涉及熱塑材料的熔融和凝固，且在較為封閉的3D打印室內進行，且不涉及高溫、高壓，沒有有毒有害物質排放，因此，環境友好程度較高。
設備、材料體積較小。采用FDM路徑的3D打印機設備體積較小，而耗材也是成卷的絲材，便于搬運，適合于辦公室、家庭等環境。
原料利用率高。沒有使用或者使用過程中廢棄的成型材料和支撐材料可以進行回收，加工再利用，能夠有效提高原料的利用效率。
后處理相對簡單。目前采用的支撐材料多為水溶性材料，剝離較為簡單，而其他技術路徑后處理往往還需要進行固化處理，需要其他輔助設備，FDM則不需要。
2、存在的缺點
成型時間較長。由于噴頭運動是機械運動，成型過程中速度受到一定的限制，因此一般成型時間較長，不適于制造大型部件。
需要支撐材料。在成型過程中需要加入支撐材料，在打印完成后要進行剝離，對于一些復雜構件來說，剝離存在一定的困難。另外，隨著技術的進步，一些采用3D打印廠家已經推出了不需要支撐材料的機型，該缺點正在被逐步克服。
3、與其他3D打印技術的對比
FDM技術更適合于對精度要求不高的桌面級3D打印機
與SLA、LOM、SLS 等成熟3D打印技術相比，FDM具有自己的特點，總體來說，FDM技術適合于對精度要求不高的桌面級3D打印機，易于推廣，市場空間也較大。
總結與展望
由于在加工過程中不涉及激光技術，整體設備體積較小，耗材獲取較為容易，打印成本也相對較低，因此FDM技術路徑是面向個人的3D打印機的首選技術，通過采用FDM技術的3D打印機，設計人員可以在很短的時間內設計并制作出產品原型，并通過實體對產品原型進行改進，與傳統的計算機建模相比，能夠真實的將實物展現在設計人員的面前。同時FDM技術也可以在各種文娛創意領域中廣泛應用，能夠滿足人們對一些產品的個性化定制服務，隨著人民生活水平的提高，這種需求將不斷增加。同時由于FDM技術專利已經到期，其大面積推廣已經不存在障礙，因此我們預計采用FDM技術路徑的3D打印機，特別是桌面級3D打印機的市場空間將急劇增加。
(責任編輯：admin)
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