3D打印技术之熔融沉积成型（FDM）原理

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FDM是“Fused Deposition Modeling”的简写形式，即为熔融沉积成型，这项3D打印技术由美国学者Scott Crump于1988年研制成功。FDM通俗来讲就是利用高温将材料融化成液态，通过打印头挤出后固化，最后在立体空间上排列形成立体实物。

【FDM快速成型技术的技术原理】：

FDM机械系统主要包括喷头、送丝机构、运动机构、加热工作室、工作台5个部分（如下图）。熔融沉积工艺使用的材料分为两部分：一类是成型材料，另一类是支撑材料。

将低熔点丝状材料通过加热器的挤压头熔化成液体，使熔化的热塑材料丝通过喷头挤出，挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上，并在1/10s内迅速凝固，每完成一层成型，工作台便下降一层高度，喷头再进行下一层截面的扫描喷丝，如此反复逐层沉积，直到最后一层，这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。

FDM成形中，每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构－“支撑”，以保证成形过程的顺利实现。支撑可以用同一种材料建造，现在一般都采用双喷头独立加热，一个用来喷模型材料制造零件，另一个用来喷支撑材料做支撑,两种材料的特性不同，制作完毕后去除支撑相当容易。送丝机构为喷头输送原料，送丝要求平稳可靠。送丝机构和喷头采用推-拉相结合的方式，以保证送丝稳定可靠，避免断丝或积瘤。

【FDM快速成型工艺的优点】

（1）成本低。熔融沉积造型技术用液化器代替了激光器，设备费用低；另外原材料的利用效率高且没有毒气或化学物质的污染，使得成型成本大大降低。

（2）采用水溶性支撑材料，使得去除支架结构简单易行，可快速构建复杂的内腔、中空零件以?及一次成型的装配结构件。

（3）原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。

（4）可选用多种材料，如各种色彩的工程塑料ABS、PC、PPS以及医用ABS等。

（5）原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。

（6）用蜡成型的原型零件，可以直接用于熔模铸造。

（7）FDM?系统无毒性且不产生异味、粉尘、噪音等污染。不用花钱建立与维护专用场地，适合于办公室设计环境使用。

（8）材料强度、韧性优良，可以装配进行功能测试。

【FDM快速成型工艺的缺点】

（1）原型的表面有较明显的条纹。

（2）与截面垂直的方向强度小。

（3）需要设计和制作支撑结构。

（4）成型速度相对较慢，不适合构建大型零件。

（5）原材料价格昂贵。

（6）喷头容易发生堵塞，不便维护。

【FDM快速成型技术的应用】

FDM快速成型机采用降维制造原理，将原本很复杂的三维模型根据一定的层厚分解为多个二维图形，然后采用叠层办法还原制造出三维实体样件。由于整个过程不需要模具，所以大量应用于汽车、机械、航空航天、家电、通讯、电子、建筑、医学、玩具等产品的设计开发过程，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、塑料件开模前校验设计以及少量产品制造等，也应用于政府、大学及研究所等机构。用传统方法须几个星期、几个月才能制造的复杂产品原型，用FDM成型法无需任何刀具和模具，瞬间便可完成。

由于FDM工艺的特点，FDM已经广泛地应用于制造行业。它降低了产品的生产成本，缩短了生产周期，大大地提高了生产效率，给企业带来了较大的经济效益。

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