【南极熊3D打印文化】FDM 熔融沉积成型：3D打印如何走进千家万户

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1FDM发展历程

熔融沉积成型（Fused Deposition Modelling, FDM）是上世纪八十年代末，由美国Stratasys公司的斯科特·克伦普（Scott Crump）发明的技术，是继光固化快速成型（SLA）和叠层实体快速成型工艺（LOM）后的另一种应用比较广泛的3D打印技术。1992年，Stratasys公司推出世界上第一款基于FDM技术的3D打印机--“3D造型者（3D Modeler）”，标志着FDM技术步入商用阶段。

3D Modeler

国内方面，对于FDM技术的研究最早在包括清华大学、西安交大、华中科大等几所高校进行，其中清华大学下属的企业于2000年推出了基于FDM技术的商用3D打印机，近年来也涌现出多家将3D打印机技术商业化的企业。

2009年FDM关键技术专利到期，各种基于FDM技术的3D打印公司开始大量出现，行业迎来快速发展期，相关设备的成本和售价也大幅降低。数据显示，专利到期之后桌面级FDM打印机从超过一万美元下降至几百美元，销售数量也从几千台上升至几万台。

2 FDM工作原理

FDM的工作原理是，将丝状的热塑性材料通过喷头加热熔化，喷头底部带有微细喷嘴（直径一般为0.2～0.6mm），在计算机控制下，喷头根据3D模型的数据移动到指定位置，将熔融状态下的液体材料挤喷出来并最终凝固。材料被喷出后沉积在前一层已固化的材料上，通过材料逐层堆积形成最终的成品。

FDM的丝状线材

FDM 3D打印机及其打印的物品（图片来源：3D Systems）

FDM打印工作平台

在打印机工作前，先要设定三维模型各层的间距、路径的宽度等数据信息，然后由切片引擎对三维模型进行切片并生成打印移动路径。在计算机控制下，打印喷头根据水平分层数据作X轴和Y轴的平面运动，Z轴方向的垂直移动则由打印平台的升降来完成。同时，丝材由送丝部件送至喷头，经过加热、熔化，材料从喷头挤出黏结到工作台面上，迅速冷却并凝固。这样打印出的材料迅速与前一个层面熔结在一起，当每一个层面完成后，工作台便下降一个层面的高度，打印机再继续进行下一层的打印，一直重复这样的步骤，直到完成整个物体的打印。

FDM工艺的关键是保持从喷嘴中喷出的、熔融状态下的原材料温度刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固点高1℃左右。如果温度太高，会导致打印物体的精度降低，模型变形等问题；如果温度太低，则容易导致喷头被堵住，导致打印失败。

FDM打印技术原理示意图（图片来源：南极熊）

FDM工艺的打印机会需要使用两种材料：一种用于打印实体部分的成型材料；另一种用于沉积空腔或悬臂部分的支撑材料。切片软件会根据待打印模型的外形，自动计算决定是否需要为其添加支撑。支撑还有一个目的是建立基础层。即在正式打印之前，先在工作平台上打印一个基础层，这样可以提供一个精准的基准面，还可以使打印完成后的模型更容易剥离。

3FDM打印材料

FDM技术使用的材料主要包括实体材料和支撑材料。实体材料主要为热塑性材料，包括PLA、ABS、人造橡胶、石蜡等。

FDM技术的支撑材料较难去除，很容易在剥离过程中损坏模型表面。针对这样的问题，3D打印界巨头Stratasys公司在1999年开发了水溶性支撑材料，用溶液对打印后的模型进行冲洗，将支撑材料进行溶解而不损伤实体模型。

去除支撑材料前的打印作品（左）以及去除支撑材料后的作品（右）

在进行模型实体材料选择时，需要考虑以下几点因素。

l 黏度低。粘度低阻力小，不容易堵喷头。

l 熔点低。熔点温度低打印功耗小，却有利于提高机器使用寿命。

l 黏结性高。黏结性决定了实体各层之间的黏结强度。

l 收缩率小。挤出的材料丝会发生膨胀，收缩率越小，打印出来的物品精度越有保证。

根据以上特征，目前市场上主要的FDM材料包括ABS、PLA、PC、PP、合成橡胶等。

ABS材料。ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。ABS具有强度高、韧性好、稳定性高的特点，是一种用途极广的工程塑料。

PLA材料。PLA（聚乳酸）又名玉米淀粉树脂，是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源（玉米）所提取出的淀粉原料制备而成。除了具有良好的生物降解能力，其光泽度、透明性、手感和耐热性也很不错，目前主要用于服装、工业和医疗卫生等领域。

PC材料。PC即聚碳酸酯，是一种20世纪50年代末期发展起来的无色高透明度的热塑性工程塑料，具有耐冲击、韧性高、耐热性好且透光性好的特点，悬挂的PC材料板甚至可以抵挡一定距离的子弹冲击。PC材料的热变形温度为138℃，颜色比较单一，只有白色，但其强度比ABS材料高出60%左右。目前，美国通用公司是聚碳酸酯全球最大的生产企业。

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，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。缺点是不耐磨、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。

合成橡胶材料。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、耐高温等优势，因而广泛应用于工农业、国防、交通及日常生活中。

4 FDM应用

FDM应用领域包括概念建模、功能性原型制作、制造加工、最终用途零件制造、修整等方面，涉及汽车、医疗、建筑、娱乐、电子、教育等领域。

1）概念建模

建筑建模。传统建筑领域的可视化做法是使用木材或者泡沫制作模型。而3D打印能够有效降低设计成本和开发时间，建筑师可以通过实体的建筑模型对设计进行改良，大大增加了效率和合理性。

FDM技术打印的建筑模型（图片来源：Stratasys）

人体工程学设计。3D打印的模型在开发期间就可以对人体工程学性能进行测试，在测试期间可以对模型进行不断修改，从而实现将产品全面投入市场前对人体工程学进行优化。

符合人体工程学设计的医疗康复辅具(图片来源：南极熊)

符合人体工程学设计的自行车手把

市场营销和设计。利用FDM技术制作的模型可以进行打磨、上漆等处理，从而达到与最终产品外观一致的目的。FDM使用生产级的热塑性塑料（比如ABS），可以获得与最终产品相似的使用感受。

利用FDM技术制作的镜架（图片来源：南极熊）

符合人体工程学设计的鼠标外壳

2）功能性原型制作

利用FDM技术获得的原型本身具有耐高温、耐化学腐蚀等性能，在产品设计初期就能够通过原型进行各种性能测试，以改进最终的产品设计参数。

利用FDM技术制作的功能性原型零件（图片来源：Stratasys）

3）制造加工

由于FDM技术可以采用高性能的生产级别材料，可以用来制造标准工具，并可进行小批量生产，通过小批量生产可以使用与最终产品相同的流程和材料来制作原型。

利用FDM技术制作的标准工具（图片来源：Stratasys）

4）最终用途物件

FDM技术可以直接制造最终用途零件，其精度可以媲美注塑成形。不过因为受材料和工艺限制，打印物品的受力强度低，主要用于民用消费级市场，在工业市场上最终用途零件的应用还不广泛。

利用FDM技术制作的游戏手柄外壳（图片来源：南极熊）

5 优势&限制

由于FDM技术无需激光系统，因而价格低廉。现在市场上的桌面打印机大多采用FDM技术，最便宜的已经降至1万元以下。与其他3D打印技术路径相比，FDM具有成本低、原料广泛等优点，同样存在成型精度低、支撑材料难以剥离等缺点，下面做简要分析。

优势

成本低。FDM技术不采用激光系统。

成型材料范围较广。ABS、PLA、PC、PP等热塑性材料均可作为FDM技术的成型材料。

环境污染较小。在整个打印过程中不涉及高温、高压，没有有毒物质排放。

设备、材料体积较小。便于搬运，适合于办公室、家庭等环境。

原料利用率高。没有废弃的成型材料，支撑材料可以回收。

技术限制

精度低。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，另外在出料部分缺少控制部件，致使难以精确地控制出料形态和成型效果。这些原因导致FDM的桌面级3D打印机的成品精度通常为0.1～0.3毫米。每层的边缘容易出现由于分层沉积而产生的“台阶效应”，导致很难达到所见即所得的3D打印效果。

FDM技术制作的物品普遍存在“台阶效应”

强度低。受工艺和材料限制，打印物品的性能强度低，尤其是沿Z轴方向的材料强度比较弱，达不到工业标准。

打印时间长。需按横截面形状逐步打印，成型过程中受到一定的限制，制作时间长，不适于制造大型物件。

需要支撑材料。在成型过程中需要加入支撑材料，在打印完成后要进行剥离。随着技术的进步，市面上已经有水溶性支撑材料，该缺点正在被逐步克服。

6 结论与展望

FDM技术是面向个人的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。同时FDM技术广泛运用在各种文娱活动中，满足人们对一些产品的个性化定制服务。由于FDM技术专利已经到期，其大面积推广已经不存在障碍。南极熊认为在未来，桌面级FDM 3D打印机的市场空间还将不断增加。

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