揭秘3D打印技術之FDM原理 - 全文

　　在尚未見到3D打印機之前，想必您同我一樣想一睹3D打印機的“芳容”，瀏覽關于3D打印機的論壇、貼吧甚至在百度搜索框中輸入“3D打印機”一探3D打印機的究竟。一個個“栩栩如生”的3D打印作品映入眼簾，心里對3D打印產(chǎn)生著這樣或那樣的疑惑。3D打印的模型究竟如何出爐？事實上，3D打印的學名為增材制造技術，相比傳統(tǒng)減材制造技術，增材制造技術是將模型一層層打印出來。就3D打印成型工藝而言五花八門，諸如：FDM、SLA、SLS、SLM、DLP、3DP等，這些成型技術原理不一、各有特色，但無不呈現(xiàn)同一特性，那就是增材制造。之前筆者在《領銜高新技術 國產(chǎn)桌面SLA 3D打印機》系統(tǒng)解析過SLA技術的成型原理。今天，筆者將解開FDM技術成型原理的面紗。

　　●什么是3D打印技術之FDM

　　或許你曾糾結于諸如形象各異的小裝飾品究竟如何出爐，或許你曾苦思憫想搞懂3D打印技術的成型原理。究竟這些精美的打印品如何通過3D打印出現(xiàn)在人們面前？

　　精美的3D打印成品

　　今天我們來揭示作為3D打印成型技術之一的熔融沉積成型技術（FDM）。FDM是“Fused Deposition Modeling”的簡寫形式，即為熔融沉積成型。搞懂FDM成型技術，首先我們需要轉變思維。通常2D打印是在一張紙上（一個平面上）完成打印，而3D打印是完成一個立體模型的打印。FDM，通俗來講就是利用高溫將材料融化成液態(tài)，通過打印頭擠出后固化，最后在立體空間上排列形成立體實物。

　　平面數(shù)軸（左）立體數(shù)軸（右），3D打印是完成立體模型的打印工作

　　FDM是目前3D打印機使用較廣的技術，同時FDM成型技術已被Stratasys公司注冊專利。基于FDM成型技術的機型在中國甚至世界3D打印機市場占有較大的比例。較為著名的FDM 3D打印機有MakerBot Replicator系列、3D Systems的Cube系列、太爾時代UP！系列、弘瑞3D打印機等。

　　FDM 3D打印機

　　當然作為成型技術的FDM同其它成型技術相比有其固有的優(yōu)缺點。優(yōu)點：成型精度高、打印模型硬度好、多種顏色。缺點：成型物體表面粗糙。

　　當我們了解FDM 3D打印技術的時候，我們便不會再云里霧里了。其實，F(xiàn)DM成型技術較為簡單，只要我們仔細想象一下便會明白其中的內涵。那么，一件件精致美觀的3D打印品需要經(jīng)過哪些步驟出爐的？下一頁，我們將了解3D打印的成型過程。

　　FDM 3D打印技術來源及工藝

　　●FDM歷史來源及成型過程

　　先從熔融沉積成型技術的歷史來源說起。FDM技術出現(xiàn)在二十世紀八十年代末期。1988年，科特克魯姆普發(fā)明了FDM（熔融沉積成型技術），次年科特克魯姆普成立了Stratasys公司。1992年，第一臺基于熔融沉積成型技術的3D打印產(chǎn)品出售。FDM成型技術已被Stratasys公司注冊專利。

　　FDM成型原理相對簡單，打印之前FDM 3D打印機內置軟件自動讀取3D模型數(shù)據(jù)并將其分層。分層之后，經(jīng)過高溫熔化的液態(tài)通過打印頭擠出，擠出后遇冷迅速凝結固化，然后通過打印頭在平面上的擺動以及打印板向下位移形成立體實物。

　　FDM成型原理，打印頭實現(xiàn)一個平面上的移動，打印平臺上下移動實現(xiàn)分層

　　3D打印需要經(jīng)過3D掃描、3D建模的過程，最終完成3D打印成品。當然，基于FDM成型技術的3D打印機也不例外。除去3D掃描、3D建模過程，就3D打印本身而言，F(xiàn)DM成型技術一般經(jīng)過以下環(huán)節(jié)。首先FDM軟件對3D模型數(shù)據(jù)進行分析、分層，生成打印路徑以及支撐路徑。其次，打印頭和打印平臺會升至3D模型設置的溫度。

　　打印頭（左上）打印平臺（下方），打印開始后打印平臺從上向下運動

　　最后，打印過程中，打印頭在平面上的位移以及打印平臺上下位移會形成一個三維空間，打印頭和打印平臺根據(jù)生成的路徑進行打印。在打印過程中，打印頭完成一個平面上的打印任務后，打印平臺自動下降一層，打印頭繼續(xù)打印。循環(huán)往復直至成品的完成。

　　打印頭，打印時熱熔的液體會從中間細小的孔徑擠出

　　FDM 3D打印機打印過程，當打印頭完成一個層面上的打印后，打印平臺自動向下降，直到成品的完成

　　在打印過程中，插入打印頭的線材會迅速融化，通過打印頭擠出瞬間凝結。打印頭溫度較高，根據(jù)材料的不同以及模型設計溫度的不同，打印頭的溫度相對也不同。為了防止打印物體翹邊等問題的出現(xiàn)打印平臺一般為加熱，打印平臺上一般覆蓋粘貼紙以便于打印成品的剝離。

　　●FDM 3D打印機的線材及應用領域

　　線材是流淌在FDM 3D打印機體內的血液，3D打印成品是線材熱熔后的分層疊加?；贔DM成型技術的線材種類較多，常見的為ABS、PLA等。

　　紅色的線材，線材可在顏色上進行分類

　　隨著3D打印成品增多以及3D打印技術的進步，耗材商以及3D打印機制造商不斷開拓可用作3D打印的線材。9月，一款類似金屬效果的3D打印耗材copperFill推出。10月，一款硬度比之前線材較高的PLA HS線材誕生?？捎米?D打印的材料不斷推陳出新，有些是在原有線材加入各種配料，制作出的線材具備新的屬性，有些則是開發(fā)出的新材質的線材。

　　copperFill線材，打印出來的效果類金屬 圖源：colorfabb.com

　　FDM成型技術的線材有很多，例如：ABS、PLA、尼龍、木質，甚至食物。隨著時間的推移，越來越多的3D打印機生產(chǎn)廠家開始投身線材制作。相比通用線材制造商，3D打印機生產(chǎn)廠家推出的線材更加適用于該廠家生產(chǎn)的3D打印機。大部分線材在直徑上有1.75mm、3.0mm兩種規(guī)格。

　　將線材頭插進打印頭中，線材可有不同顏色以及不同直徑

　　注：線材頭插入打印頭時，可通過點擊“一鍵進料”使線材固定牢靠。

　　FDM較傳統(tǒng)制作方法有其獨特的優(yōu)勢。首先，可制造較為精細的機械零部件。其次，量產(chǎn)的打印物品可在一定程度上降低生產(chǎn)成本。受價格越來越低、打印成本越來越低、操作越來越簡單等因素，基于FDM成型技術的3D打印機越來越被消費者所接受。目前，3D打印技術應用領域較多，醫(yī)療、建筑、運輸、航天、考古、教育以及工業(yè)制造等領域都有涉及。

　　娛樂

　　跳棋

　　●由于應用領域較廣，筆者在這里不一一列舉，具體應用領域將在下一頁以圖示的形式展現(xiàn)

　　寫在后面的話：FDM即為熔融沉積成型是3D打印技術的一種，其在3D打印領域有著至關重要的地位。FDM成型技術主要依靠打印頭和打印平臺的移動實現(xiàn)三維立體模型的構建。在整個3D打印過程中，線材扮演著至關重要的地位，是整個打印模型的構成物質。關于應用，F(xiàn)DM 3D打印機應用領域較廣而且其在不斷突破自身的限制，在更多、更廣的領域內實現(xiàn)著更多的可能性?！　?/P>

　　●FDM 3D打印機應用領域圖賞

　　家居用品

　　盒子（左），涼亭樣式的燈（中），茶壺（右）

　　娛樂

　　哨子，根據(jù)打印材料顏色的不同哨子的顏色也不一

　　交通

　　3D打印汽車Strati，相當拉風 圖源：3dprint

　　醫(yī)療

　　3D打印下頜骨 圖源：xilongtoy.com

　　FDM 3D打印機有很廣泛的應用領域，創(chuàng)造了很多和生活十分接近的3D打印品，同樣3D打印技術也被用于航空航天領域、衛(wèi)星制造等多種領域。

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