3D打印技術(shù)之熔融沉積成型（FDM）原理

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FDM是“Fused Deposition Modeling”的簡(jiǎn)寫(xiě)形式，即為熔融沉積成型，這項(xiàng)3D打印技術(shù)由美國(guó)學(xué)者Scott Crump于1988年研制成功。FDM通俗來(lái)講就是利用高溫將材料融化成液態(tài)，通過(guò)打印頭擠出后固化，最后在立體空間上排列形成立體實(shí)物。

【FDM快速成型技術(shù)的技術(shù)原理】：

FDM機(jī)械系統(tǒng)主要包括噴頭、送絲機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱工作室、工作臺(tái)5個(gè)部分（如下圖）。熔融沉積工藝使用的材料分為兩部分：一類是成型材料，另一類是支撐材料。

將低熔點(diǎn)絲狀材料通過(guò)加熱器的擠壓頭熔化成液體，使熔化的熱塑材料絲通過(guò)噴頭擠出，擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，擠出半流動(dòng)的熱塑材料沉積固化成精確的實(shí)際部件薄層，覆蓋于已建造的零件之上，并在1/10s內(nèi)迅速凝固，每完成一層成型，工作臺(tái)便下降一層高度，噴頭再進(jìn)行下一層截面的掃描噴絲，如此反復(fù)逐層沉積，直到最后一層，這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個(gè)實(shí)體模型或零件。

FDM成形中，每一個(gè)層片都是在上一層上堆積而成，上一層對(duì)當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)形狀發(fā)生較大的變化時(shí)，上層輪廓就不能給當(dāng)前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設(shè)計(jì)一些輔助結(jié)構(gòu)－“支撐”，以保證成形過(guò)程的順利實(shí)現(xiàn)。支撐可以用同一種材料建造，現(xiàn)在一般都采用雙噴頭獨(dú)立加熱，一個(gè)用來(lái)噴模型材料制造零件，另一個(gè)用來(lái)噴支撐材料做支撐,兩種材料的特性不同，制作完畢后去除支撐相當(dāng)容易。送絲機(jī)構(gòu)為噴頭輸送原料，送絲要求平穩(wěn)可靠。送絲機(jī)構(gòu)和噴頭采用推-拉相結(jié)合的方式，以保證送絲穩(wěn)定可靠，避免斷絲或積瘤。

【FDM快速成型工藝的優(yōu)點(diǎn)】

（1）成本低。熔融沉積造型技術(shù)用液化器代替了激光器，設(shè)備費(fèi)用低；另外原材料的利用效率高且沒(méi)有毒氣或化學(xué)物質(zhì)的污染，使得成型成本大大降低。

（2）采用水溶性支撐材料，使得去除支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行，可快速構(gòu)建復(fù)雜的內(nèi)腔、中空零件以?及一次成型的裝配結(jié)構(gòu)件。

（3）原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運(yùn)和快速更換。

（4）可選用多種材料，如各種色彩的工程塑料ABS、PC、PPS以及醫(yī)用ABS等。

（5）原材料在成型過(guò)程中無(wú)化學(xué)變化，制件的翹曲變形小。

（6）用蠟成型的原型零件，可以直接用于熔模鑄造。

（7）FDM?系統(tǒng)無(wú)毒性且不產(chǎn)生異味、粉塵、噪音等污染。不用花錢建立與維護(hù)專用場(chǎng)地，適合于辦公室設(shè)計(jì)環(huán)境使用。

（8）材料強(qiáng)度、韌性優(yōu)良，可以裝配進(jìn)行功能測(cè)試。

【FDM快速成型工藝的缺點(diǎn)】

（1）原型的表面有較明顯的條紋。

（2）與截面垂直的方向強(qiáng)度小。

（3）需要設(shè)計(jì)和制作支撐結(jié)構(gòu)。

（4）成型速度相對(duì)較慢，不適合構(gòu)建大型零件。

（5）原材料價(jià)格昂貴。

（6）噴頭容易發(fā)生堵塞，不便維護(hù)。

【FDM快速成型技術(shù)的應(yīng)用】

FDM快速成型機(jī)采用降維制造原理，將原本很復(fù)雜的三維模型根據(jù)一定的層厚分解為多個(gè)二維圖形，然后采用疊層辦法還原制造出三維實(shí)體樣件。由于整個(gè)過(guò)程不需要模具，所以大量應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空航天、家電、通訊、電子、建筑、醫(yī)學(xué)、玩具等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，如產(chǎn)品外觀評(píng)估、方案選擇、裝配檢查、功能測(cè)試、用戶看樣訂貨、塑料件開(kāi)模前校驗(yàn)設(shè)計(jì)以及少量產(chǎn)品制造等，也應(yīng)用于政府、大學(xué)及研究所等機(jī)構(gòu)。用傳統(tǒng)方法須幾個(gè)星期、幾個(gè)月才能制造的復(fù)雜產(chǎn)品原型，用FDM成型法無(wú)需任何刀具和模具，瞬間便可完成。

由于FDM工藝的特點(diǎn)，F(xiàn)DM已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于制造行業(yè)。它降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期，大大地提高了生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

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