FDM 3D打印技術(shù)的原理及其特點(diǎn)介紹

一、FDM 3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程

FDM工藝（FDM 3D打印技術(shù)，下文簡(jiǎn)稱為FDM、FDM技術(shù)），英文全稱為：Fused Deposition Modeling，中文譯為熔融沉積成型，俗稱熔融擠出成型工藝。

1988年，科特克·魯姆普(Scott Crump)發(fā)明了FDM技術(shù)，次年Scott Crump成立了Stratasys公司。

有關(guān)FDM 3D打印技術(shù)發(fā)明過(guò)程的故事：1988年的一天，F(xiàn)DM發(fā)明人Scott Crump欲親手為女兒做一只玩具青蛙，他將聚乙烯和蠟燭的混合物裝入一個(gè)噴膠槍中，通過(guò)一層一層堆疊，做出玩具青蛙的形狀。此舉激發(fā)Scott Crump提出疑問(wèn)：如果將噴膠槍固定在機(jī)械手臂上，該制作過(guò)程是否可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化？為解決這個(gè)問(wèn)題，Scott Crump購(gòu)買了一臺(tái)數(shù)字制圖設(shè)備，經(jīng)過(guò)一年的研究，發(fā)明了FDM 3D打印技術(shù)。

1992年，Stratasys公司推出了世界上第一臺(tái)基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)——3D造型者(3D Modeler)，這也標(biāo)志著FDM技術(shù)進(jìn)入商用階段。由于FDM工藝不需要激光系統(tǒng)支持，成型材料多為ABS、PLA等熱塑性材料，因此性價(jià)比較高，是桌面級(jí)3D打印機(jī)廣泛采用的技術(shù)路徑。

2009年FDM關(guān)鍵技術(shù)專利過(guò)期，基于FDM的3D打印公司開(kāi)始大量出現(xiàn)，行業(yè)迎來(lái)了快速發(fā)展期，相關(guān)設(shè)備的成本和售價(jià)也大幅降低。數(shù)據(jù)顯示，專利到期后桌面級(jí)FDM打印機(jī)的價(jià)格從超過(guò)1萬(wàn)美元下降至幾百美元，銷售數(shù)量從幾千臺(tái)上升至幾萬(wàn)臺(tái)。

二、FDM 3D打印技術(shù)的原理

FDM工藝的材料一般是熱塑性材料，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)。每一個(gè)層均在前一層的基礎(chǔ)上堆積，前一層對(duì)當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。

隨著堆疊高度的增加，層片輪廓的面積和形狀均會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)形狀發(fā)生較大的變化時(shí)，前一層輪廓不能給當(dāng)前層提供充分的定位和支撐，需要設(shè)計(jì)一些輔助結(jié)構(gòu)——“支撐”，“支撐”結(jié)構(gòu)對(duì)后續(xù)層提供定位和支撐，以保證成型過(guò)程的順利實(shí)現(xiàn)?！爸巍苯Y(jié)構(gòu)會(huì)在后處理過(guò)程中被去除。

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圖片來(lái)源：學(xué)堂在線《解密3D打印》

三、FDM 3D打印技術(shù)使用的材料

FDM技術(shù)常用材料：蠟、ABS、PC、PLA、尼龍。

FDM技術(shù)制件性能：相當(dāng)于工程塑料或蠟?zāi)！?

一般，F(xiàn)DM技術(shù)的原材料形狀為絲狀，絲狀材料供料優(yōu)點(diǎn)：

（1）成本低； （2）與其他材料相比更干凈； （3）易于更換、保存，不會(huì)形成粉末或液體污染。 絲狀材料供料缺點(diǎn)： FDM打印耗材對(duì)絲線的要求比較嚴(yán)格，材料經(jīng)過(guò)齒輪卷進(jìn)噴頭，齒輪和固定輪之間的距離是恒定的。若絲線太粗，則會(huì)造成無(wú)法送絲或損壞送絲機(jī)構(gòu)；若絲材太細(xì)，送絲機(jī)構(gòu)感應(yīng)不到絲材的存在。因此要求絲材具有固定的規(guī)格，規(guī)格包括直徑1.75mm和3mm兩種。絲狀材料的缺點(diǎn)限制了FDM技術(shù)可使用材料的種類。

四、FDM 3D打印技術(shù)的特點(diǎn)

FDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）原理相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)需激光器等貴重元器件； （2）是最早實(shí)現(xiàn)開(kāi)源的3D打印技術(shù)，用戶普及率高； （3）對(duì)使用環(huán)境幾乎沒(méi)有限制，可在家或辦公室使用； （4）原材料以卷軸絲的形式提供，易于運(yùn)輸和更換； （5）打印成品強(qiáng)度、韌性都很高。

FDM技術(shù)的缺點(diǎn):

（1）噴頭采用機(jī)械式結(jié)構(gòu)，打印速度慢； （2）尺寸精度較差，表面相對(duì)粗糙； （3）需要設(shè)計(jì)和制作支撐結(jié)構(gòu)，打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)難以去除。

審核編輯：劉清