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，F(xiàn)DM技術路徑是面向個人的3D打印機的首選技術。今天小編就帶你來了解一下FDM技術，從技術到應用市場，全面解析。

你拿著一根牙膏，牙膏熱的發(fā)燙，你把它一擠出來就會馬上凝固。你把這根牙膏頭朝下拿著，在一個水平面上邊擠邊水平方向移動，就跟寫毛筆字似的，等你完成這個面上的工作后，這個平面突然往下降了一點，你接著又在第二個平面上擠牙膏，你擠出來的牙膏和之前的牙膏粘在一起，你不斷的重復以上過程，先擠出的牙膏固化，成為后擠出牙膏的支撐。這個就是FDM?。。?/span>

熔融沉積FDM

熔融沉積又叫熔絲沉積，它是將絲狀熱熔性材料加熱融化，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來。熱熔材料融化后從噴嘴噴出，沉積在制作面板或者前一層已固化的材料上，溫度低于固化溫度后開始固化，通過材料的層層堆積形成最終成品。大致結構如下圖所示：

在3D打印技術中，F(xiàn)DM的機械結構最簡單，設計也最容易，制造成本、維護成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面級3D打印機中使用得最多的技術，而工業(yè)級FDM機器，主要以Stratasys公司產(chǎn)品為代表。

FDM技術的優(yōu)勢在于制造簡單，成本低廉，但是桌面級的FDM打印機，由于出料結構簡單，難以精確控制出料形態(tài)與成型效果，同時溫度對于FDM成型效果影響非常大，而桌面級FDM 3D打印機通常都缺乏恒溫設備，因此基于FDM的桌面級3D打印機的成品精度通常為0.3mm-0.2mm，少數(shù)高端機型能夠支持0.1mm層厚，但是受溫度影響非常大，成品效果依然不夠穩(wěn)定。此外，大部分FDM機型制作的產(chǎn)品邊緣都有分層沉積產(chǎn)生的“臺階效應”，較難達到所見即所得的3D打印效果，所以在對精度要求較高的快速成型領域較少采用FDM。

FDM的工藝原理

FDM熔融層積成型技術已由美國STRATASYS公司在世界發(fā)達國家注冊了專利。其基本原理為FDM INSIGHT軟件自動將3D數(shù)模（由CATIA或UG、PRO-E等三維設計軟件得到）分層，自動生成每層的模型成型路徑和必要的支撐路徑。材料的供給分為模型材料卷和支撐材料卷。相應的熱融頭也分為模型材料噴頭和支撐材料噴頭。熱融頭會把ABS材料加熱至220°C成熔融狀態(tài)噴出，由于成型室保持70°C，該溫度下熔融的ABS材料既可以有一定的流動性又能保證很好的精度。一層成型完成后，機器工作臺下降一個高度（即分層厚度）再成型下一層。如此直到工件完成。

熔融沉積造型技術的加工的每一個產(chǎn)品，從最初的造型到最終的加工完成主要經(jīng)歷的過程如下：

(1)建立成型件的三維CAD模型。因為三維CAD模型數(shù)據(jù)是成型件的真實信息的虛擬描述，它將作為快速成型系統(tǒng)的輸入信息，所以在加工之前要先利用計算機軟件建立好成型件的三維CAD模型。這種三維模型可以通過Solid Works ,Pro/E,  UG等軟件來完成，并且這些軟件都具有很好的通用性。

(2)三維CAD模型的近似處理。由于要成型的零件通常都具有比較復雜的曲面，為了便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和減小計算量，我們首先要對三維CAD模型進行近似處理。在這里我們采用STL格式文件對模型進行近似處理，它的原理是用很多的小三角形平面來代替原來的面，相當于將原來的所有面進行量化處理，而后用三角形的法向量以及它的三個頂點坐標對每個三角形進行唯一標識，可以通過控制和選擇小三角形的尺寸來達到我們所需要的精度要求。由于生成STL格式文件方便、快捷，且數(shù)據(jù)存儲方便，目前這種文件格式己經(jīng)在快速成型制造過程中得到了廣泛的應用。而且計算機輔助設計軟件均具有輸出和轉換這種格式文件的功能，這也加快了該數(shù)據(jù)格式的應用和普及。

(3)三維CAD模型數(shù)據(jù)的切片處理。快速成型實際完成的是每一層的加工，然后工作臺或打印頭發(fā)生相應的位置調整，進而實現(xiàn)層層堆積。因此想要得到打印頭的每層行走軌跡，就要獲得每層的數(shù)據(jù)。故對近似處理后的模型進行切片處理，提取出每層的截面信息，生成數(shù)據(jù)文件，再將數(shù)據(jù)文件導入到快速成型機中。切片時切片的層厚越小，成型件的質量越高，但加工效率變低，反之則成型質量低，加工效率提高。

(4)實際加工成型快速成型機在數(shù)據(jù)文件的控制下，打印頭按照所獲得的每層數(shù)據(jù)信息逐層掃描，一層一層的堆積，最終完成整個成型件的加工。

(5)成型件的后處理從打印機中取出的成型件，還要進行去支撐、打磨、拋光等處理，進一步提高打印的成型質量。

FDM研究現(xiàn)狀

目前國外研究這種工藝的公司主要有MakerBot公司、Stratasys公司、3D Systems公司、以色列的Object公司等。其中Stratasys公司處于領導者的位置，在1993年就推出了世界上第一臺商業(yè)化機型FDM-16_50快速成型機，此后又推出了該型號的系列產(chǎn)品。

MakerBot公司作為當今個人級3D打印設備的領頭羊企業(yè)，采用的技術是根據(jù)計算機中的空間掃描圖，在塑料薄層上噴涂原材料，層層粘連堆積，形成成型精度很高的三維模型。其明星產(chǎn)品Replicator 2在過去曾經(jīng)被多次選為全球最佳桌面3D打印機，其在控制、算法和材料等方面的優(yōu)勢，相較于前幾代是巨大的。之后2014年推出其第五代產(chǎn)品。但是其銷量都不盡人意。不過到目前為止，MakerBot仍舊在個人級3D打印設備占據(jù)著重要的位置。

Stratasys公司是一家領先的3D打印機的制造商和快速原型設計和制造應用生產(chǎn)系統(tǒng)的供應商。該公司的專利包括FDM（R）和PolyJet（R）（即直接從3D CAD文件生產(chǎn)原型和制成品工藝），及其它3D打印有關的技術。系統(tǒng)包括經(jīng)濟實惠的用于概念設計的桌面3D打印機，一系列的原型機制造系統(tǒng)，和直接數(shù)字化制造的大型生產(chǎn)系統(tǒng)。3D打印材料超過130種，是同行業(yè)內3D打印材料種類最多的公司，包括超過120種專有的噴墨基感光聚合材料和10個專有的基于FDM的熱塑性材料。Stratasys公司還生產(chǎn)Solidscape 3D打印機和經(jīng)營紅眼（RedEye）按需數(shù)字制造服務。以色列的Object公司作為世界超薄層厚光敏樹脂噴射成型技術的領導者，創(chuàng)造ObietPolvJetMatrix技術，實現(xiàn)了不同模型材料同時噴射的技術，材料使用的是ABS與熱塑性塑料的混合，主要產(chǎn)品有Dimension 1200es。據(jù)報道稱這兩家公司在2012年的時候合并，新的公司以Stratasys的名字繼續(xù)運營。

3D systems 是SLA（Stereolithography）技術的發(fā)明者，同時也是.STL文件格式的專利擁有者，并擁有選擇性激光燒結——SLS，多噴建模（Multi-jet Modeling）和膜轉印成像（film transfer imaging）等技術。在基于FDM工藝的產(chǎn)品中，3D Systems公司推出個人家用的3D打印機Cube系列，以其簡易性和高可靠性著稱，使用的打印材料為ABS和PLA。

國內的科研技術人員自20世紀90年代初期才開始進入到快速成型技術的研究中。雖然我們也有了20多年的發(fā)展，但目前我國在RP技術方面的水平基本上處于向國外先進的技術和工藝學習的階段，國內也有一些有實力的大學和科研院所也開始著手于相關創(chuàng)新工藝的開發(fā)和研究。比如，國家863項目中就有這一技術發(fā)展分支，中國科學院沈陽自動化所就是基于國家立項的支持，進行了有關成型材料(金屬材料、異質材料、納米晶陶瓷材料等)方面的研究，目前己獲得了一定的成果。清華大學進行了熔融沉積造型、光固化立體造型、分層實體造型等快速成型技術的研究工作，各種成型工藝都己推出了比較成熟的產(chǎn)品，并在此基礎上成功研制出了多功能應用的快速成型設備。此外，華南理工大學、華中科技大學、南昌大學、西安交通大學、上海交通大學、浙江大學等也開展了FDM技術的研究工作。

FDM技術的優(yōu)缺點及改進方式

FDM的優(yōu)點

1、制造系統(tǒng)可用于辦公環(huán)境，沒有毒氣或化學物質的危險。        

2、可快速構建瓶狀或中空零件。    

3、塑材絲材清潔，更換容易：與其他使用粉末和液態(tài)材料的工藝相比，絲材更加清潔，易于更換、保存，不會在設備中或附近形成粉末或液態(tài)污染。      

4、不使用激光，維護簡單，成本低：價格是成型工藝是否適于三維打印的一個重要因素。多用于概念設計的三維打印機對原型精度和物理化學特性要求不高，便宜的價格是其能否推廣開來的決定性因素。         

5、可選用多種材料，如可染色的ABS和醫(yī)用ABS、PC、PPSF等。

6、后處理簡單：僅需要幾分鐘到一刻鐘的時間，剝離支撐后原型即可使用。    

FDM的缺點

FDM型3D打印機雖然經(jīng)過了幾十年的發(fā)展并且得到廣泛的應用，但它仍存在很多不足之處，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諸多限制等。

缺陷一：成型精度低與打印速度慢。這是FDM型3D打印機的主要限制因素，但是，由于成型精度和打印效率呈反比關系，即高速打印獲得低精度產(chǎn)品，低速打印獲得高精度產(chǎn)品，一味地追求高精度將使打印速度大幅度降低，這并不是工業(yè)領域所希望的。因此，要解決精度低與速度慢的問題，必須要使兩者均得到足夠的關注，此時，我們可以使新技術兼容和繼承老技術，即增材制造結合切削減材制造技術，具體來說，就是把傳統(tǒng)切削加工應用到3D打印成型過程中，采用低精度的打印工藝，保證成型速度，然后用去除材料的措施來保證成型精度。

缺陷二：控制系統(tǒng)智能化水平低。雖然采用FDM 技術的3D打印機操作相對簡單，但在成型過程中，仍會出現(xiàn)問題，這就需要有豐富經(jīng)驗的技術人員操作機器，以隨時觀察成型狀態(tài)，因為當成型過程中出現(xiàn)異常時，現(xiàn)有系統(tǒng)無法進行識別，也不能自動調整，如果不去人工干預，將造成無法繼續(xù)打印或將缺陷留在工件里，這一操作上的限制將影響3D打印的普及性。因此，3D打印機智能化非常重要，“智能識別和反饋功能”將是目前3D打印系統(tǒng)迫切需要的，可以通過軟件的開發(fā)讓3D打印機具備自學習功能，最終實現(xiàn)3D打印機向“3D打印機器人”的轉變。

缺陷三：打印材料限制性較大。目前在打印材料方面存在很多缺陷，根據(jù)前文有關材料的介紹，可以看出材料種類和環(huán)保性方面存在的問題正在逐步解決，但是，仍有許多方面有待進一步改進，比如FDM用打印材料易受潮、成型過程中和成型后存在一定的收縮率等。打印材料受潮，將影響熔融后擠出的順暢性，易導致噴頭堵塞，不利于工件的成型，因此，用于FDM的打印材料要密封儲存，使用時要進行適當?shù)暮娓商幚恚凰苄圆牧显谌廴诤竽痰倪^程中，均存在收縮性，這會造成的問題主要是打印過程中工件的翹曲或脫落和打印完成后工件的變形，影響加工精度，浪費打印材料，改進辦法主要是選用收縮率低的材料、采用恒溫艙等。

FDM用成型材料

FDM打印材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料（卷軸絲），材料成本低。與其他使用粉末和液態(tài)材料的工藝相比，絲材更干凈，易于更換、保存，不會形成粉末或液體污染。FDM打印耗材對線絲的要求比較嚴格，材料經(jīng)過齒輪卷進噴頭，齒輪和固定輪之間的距離是恒定的，若絲線太粗，則會造成無法送絲或損壞送絲機構，反之，絲線太細，送絲機構會感應不到絲的存在，因此要求絲材具有固定的規(guī)格，分為直徑1.75ｍｍ和３ｍｍ兩種；FDM采用熱塑成型的方法，絲材要經(jīng)受“固態(tài)－液態(tài)－固態(tài)”的轉變，對材料的特性、成型溫度、成型收縮率等有著特定的要求，這不僅限制了所用材料的種類，也增加了打印機的研發(fā)難度。

表１所示為目前使用較多的幾種材料，從中可以看出：不同的材料有著不同的成型溫度、不同的收縮率以及不同的性能等。除了這些常用的材料外，F(xiàn)DM使用的材料還有俗稱聚纖維酯的PPSF/PPSU、 PEI塑料ULTEM9085以及水溶性材料，PPSF/PPSU是所有熱塑性材料里面強度最高、耐熱性最好、抗腐蝕性最高的材料，呈琥珀色，熱變形溫度接近190℃；PEI塑料ULTEM9085強度高、耐高溫、抗腐蝕，熱變形溫度150℃左右，收縮率僅為0.1％～0.3％，穩(wěn)定性極好。

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(yōu)良，還具有易加工、制品尺寸穩(wěn)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(yè)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(xù)低迷，ABS價格也出現(xiàn)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(xiàn)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(jù)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(shù)、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(yōu)、無味無臭對人體無害符合衛(wèi)生安全等特點，可用于光盤、汽車、辦公設備、箱體、包裝、醫(yī)藥、照明、薄膜等多個領域。

PC材料具有高彈性系數(shù)、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(chǎn)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(yōu)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(xù)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(tǒng)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(wěn)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(chǎn)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(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生等領域。

PLA材料熱穩(wěn)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(nóng)作物生物發(fā)酵，成本相對較高，也因為如此，其環(huán)境友好程度較高。

合成橡膠材料 。為了區(qū)別于天然橡膠，統(tǒng)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(chǎn)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(nóng)業(yè)、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：

FDDM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(chǎn)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(xiàn)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(fā)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，F(xiàn)DM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。

FDM的適應范圍

概念建模

這種工藝方法適合于產(chǎn)品設計的概念建模以及產(chǎn)品的功能測試。由于甲基丙烯酸ABS （MOBS）材料具有很好的化學穩(wěn)定性，可采用伽瑪射線消毒，特別適用于醫(yī)用。但成形精度相對較低，不適合于制作結構過分復雜的零件。  

在產(chǎn)品設計評估與校審方面    

FDM技術可以將CAD的設計構想快速、精確、而又經(jīng)濟地生成可觸摸的物理實體，比將三維的幾何造型展示于二維的屏幕或圖紙上具有更高的直觀性和啟示性。設計人員可以更快，更易地發(fā)現(xiàn)設計中的錯誤。更重要的是，對成品而言，設計人員可及時體驗其新設計產(chǎn)品的使用舒適性和美學品質。FDM生成的模型也是設計部門與非技術部門交流的更好中介物。    

快速塑料零件制造    

材料性能一直是FDM工藝的主要優(yōu)點，其ABS原型強度可以達到注塑零件的三分之一。今年來又發(fā)展出PC，PC/ABS，PPSF等材料，強度已經(jīng)接近或超過普通注塑零件，可在某些特定場合（試用，維修，暫時替換等）下直接使用。雖然直接金屬零件成型（近年來許多研究機構和公司都在進行這方面的研究，是當今快速原型領域的一個研究熱點）的材料性能更好，但在塑料零件領域，F(xiàn)DM工藝是一種非常適宜的快速制造方式。隨著材料性能和工藝水平的進一步提高，我們相信，會有更多的FDM原型在各種場合直接使用。

FDM具體實例應用

1、醫(yī)學3D模型的應用

利用3D打印機打印出來的醫(yī)學實體模型使用十分廣泛，主要表現(xiàn)在: ① 從二維CT 圖形到三維實體模型，可以直觀地呈現(xiàn)出病變部位，有助于進行手術分析、術前規(guī)劃及醫(yī)患交流。② 模擬手術過程。例如骨骼骨折手術中對受損骨骼的校正，利用三維模型可以模擬手術過程，確定最佳治療方案。③ 假體植入設計。利用3D 打印機快速制作假體并進行模擬分析，反復修改后，制作生物相容性良好的假體，大大提高假體植入手術的水平和使用壽命。④ 應用于教學中，可以根據(jù)實際案例制作實體模型，有利于幫助學生更好地掌握手術操作技能。如圖是FDM 型3D 打印機制作的骨盆和部分脊柱。

2、復合材料模具的制作

目前復合材料制造總成本的大部分一般是由工裝和模具構成，它們包括昂貴和復雜的加工。為了滿足設計要求，也需要技術熟練的工人和較長的研制周期。

工裝和模具可以在一個自動化工藝中直接用3D打印中所采用的CAD 文件進行制造，提供更短的研制周期、更低的成本和更高的精度。在先進的3D打印制造技術中，熔融沉積成型（FDM）能夠快速具成本效益地生產(chǎn)復合材料用模具，特別是針對復雜部件。適用于聚合物增強復合材料用耐高溫模具的FDM 熱塑性塑料已被開發(fā)出來。例如，UTLEM9085是一種高性能熱塑性塑料（見表2），專用于商業(yè)運輸業(yè)，特別是航空、航海和地面車輛。與3D生產(chǎn)系統(tǒng)相結合，ULTEM9085使設計和制造工程師們可以生產(chǎn)全功能部件，適用于先進的功能原型或終端應用，沒有傳統(tǒng)模具的成本和研制周期。

總結

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(chǎn)品原型，并通過實體對產(chǎn)品原型進行改進，與傳統(tǒng)的計算機建模相比，能夠真實的將實物展現(xiàn)在設計人員的面前。同時FDM技術也可以在各種文娛創(chuàng)意領域中廣泛應用，能夠滿足人們對一些產(chǎn)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。隨著FDM技術的不斷加深研究，其相應的應用缺陷得以改進，F(xiàn)DM技術將得到極大的發(fā)展和應用。