3D打印技術之熔融沉積成型（FDM）
時間：2016-03-24 13:58 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
FDM發展概況
FDM中文全稱為熔融沉積成型，是目前應用最為廣泛的 3D打印技術， 該技術是美國 Stratasys 公司于上世紀八十年代末發明。1992 年該公司 推出世界上第一款基于 FDM技術的 3D打印機，標志著 FDM技術步入 商用階段。2009年 FDM關鍵技術專利到期，各種基于 FDM技術的 3D 打印公司開始大量出現，行業迎來快速發展期。
FDM路徑相關材料
對于 3D打印而言，材料是關鍵所在，FDM技術路徑涉及的材料主要包 括成型材料和支撐材料，根據技術特點，要求成型材料具有熔融溫度低、 粘度低、粘結性好、收縮率小等特點；支撐材料要求具有能夠承受一定 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、流動性要好等特點。
FDM中文全稱為熔融沉積成型，是目前應用最為廣泛的 3D打印技術， 該技術是美國 Stratasys 公司于上世紀八十年代末發明。1992 年該公司 推出世界上第一款基于 FDM技術的 3D打印機，標志著 FDM技術步入 商用階段。2009年 FDM關鍵技術專利到期，各種基于 FDM技術的 3D 打印公司開始大量出現，行業迎來快速發展期。
FDM路徑相關材料
對于 3D打印而言，材料是關鍵所在，FDM技術路徑涉及的材料主要包 括成型材料和支撐材料，根據技術特點，要求成型材料具有熔融溫度低、 粘度低、粘結性好、收縮率小等特點；支撐材料要求具有能夠承受一定 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、流動性要好等特點。
FDM的應用
FDM 應用領域包括概念建模、功能性原型制作、制造加工、最終用途 零件制造、修整等方面，涉及汽車、醫療、建筑、娛樂、電子等領域， 隨著技術的進步，FDM的應用還在不斷拓展。
FDM優點及存在的問題
FDM 技術優點包括成本低、成型材料范圍較廣、環境污染較小、設備 及材料體積較小、原料利用率高、后處理相對簡單等；缺點包括成型時 間較長、精度低、需要支撐材料等。
結論及展望
與其他 3D打印技術相比，FDM技術不涉及激光、高溫、高壓等危險環 節，同時其體積也較小，是成本相對較低的 3D打印技術，能夠大量應 用于家庭及辦公室環境，隨著關
鍵技術專利的到期，FDM 的各種應用 領域還在不斷拓展，前景值得期待。
目 錄
一、FDM概況 .............................................................................................................................................................................. 4
1、3D打印技術路徑概況 .................................................................................................................................................... 4
2、FDM發展歷程 ................................................................................................................................................................ 5
3、FDM工藝原理 ................................................................................................................................................................ 5
二、FDM路徑相關材料 .............................................................................................................................................................. 7
1、成型材料 ......................................................................................................................................................................... 7
2、支撐材料 ....................................................................................................................................................................... 11
三、FDM的應用 ........................................................................................................................................................................ 12
1、概念建模 ....................................................................................................................................................................... 12
2、功能性原型制作 ............................................................................................................................................................ 13
3、制造加工 ....................................................................................................................................................................... 13
4、最終用途零件................................................................................................................................................................ 14
5、FDM應用案例 .............................................................................................................................................................. 14
四、FDM優點及存在的問題 .................................................................................................................................................... 15
1、具有的優點 ................................................................................................................................................................... 15
2、存在的缺點 ................................................................................................................................................................... 15
3、與其他 3D打印技術的對比 ......................................................................................................................................... 16
五、結論及展望 .......................................................................................................................................................................... 16
圖表目錄
圖表 1：FDM成型過程 ................................................................................................................................................. 6
圖表 2：FDM工藝原理簡圖 ......................................................................................................................................... 6
圖表 3：某型號 3D打印機正面 ...................................................................................................................................... 7
圖表 4：某型號 3D打印機背面 ...................................................................................................................................... 7
圖表 5：FDM技術對成型材料的要求 ........................................................................................................................... 7
圖表 6：ABS價格走勢 .................................................................................................................................................. 9
圖表 7：PC價格走勢 .................................................................................................................................................... 9
圖表 8：PC價格走勢 .................................................................................................................................................. 10
圖表 9：丁苯橡膠價格走勢 ......................................................................................................................................... 11
圖表 10：天然橡膠價格走勢 ....................................................................................................................................... 11
圖表 11：FDM技術對成型材料的要求 ....................................................................................................................... 11
圖表 12：建筑建模案例展示 ....................................................................................................................................... 13
一、FDM概況
1、3D打印技術路徑概況
3D打印（3D Printing）技術，是在計算機控制下，基于“增材制造”原理， 立體逐層堆積離散材料，進行零件原型或最終產品的成型與制造的技術。該技 術以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，將 3D 實體變為若干個 2D 平面，利用激光束、電子束、熱熔噴嘴等方式將粉末、熱 塑性材料等特殊材料進行逐層堆積粘結，最終疊加成型，制造出實體產品。
經過幾十年的發展，目前已經開發出多種 3D 打印技術路徑，從大類上劃 分為擠出成型、粒狀物料成型、光聚合成型和其他成型幾大類，基礎成型主要 代表技術路徑為熔融沉積成型（FDM）；粒狀物成型技術路徑主要包括電子束 熔化成型（EBM）、選擇性激光燒結（SLS）、三維打印（3DP）、選擇性熱燒 結（SHS）等；光聚合成型主要包括光固化（SLA）、數字光處理（DLP）、聚 合物噴射（PI）；其他技術包括激光熔覆快速制造技術（LENS）、熔絲制造（FFF）、 融化壓模（MEM）、層壓板制造（LOM）等。
其中 FDM、SLA、LOM、SLS、3DP為主流技術，熔融沉積成型 FDM工 藝一般是熱塑性材料，以絲狀形態供料。材料在噴頭內被加熱熔化，噴頭沿零 件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周 圍的材料凝結；
光固化快速成形 SLA，又稱立體光刻、光成形等，是一種采用激光束逐點 掃描液態光敏樹脂使之固化的快速成型工藝；
疊層實體制造 LOM 工藝是快速原型技術中具有代表性的技術之一，是基 于激光切割薄片材料、由黏結劑黏結各層成形；
選擇性激光燒結 SLS工藝，是采用紅外激光作為熱源來燒結粉末材料，并 以逐層堆積方式成形三維零件的一種快速成形技術；
3DP工藝與 SLS工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。 所不同的是材料粉末不是通過燒結連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑將零件 的截面“印刷”在材料粉末上面。
2、FDM發展歷程
熔融沉積成型（FDM，Fused Deposition Modeling）是上世紀八十年代末， 由美國 Stratasys 公司發明的技術，是即光固化快速成型（SLA）和疊層實體 快速成型工藝（LOM）后的另一種應用比較廣泛的 3D 打印技術路徑。1992 年，Stratasys公司推出了世界上第一臺基于 FDM技術的 3D打印機——“3D 造型者（3D Modeler）”，這也標志著 FDM技術步入商用階段。由于 FDM工 藝不需要激光系統支持，成型材料多為 ABS、PLA等熱塑性材料，因此性價比 較高，是桌面級 3D打印機廣泛采用的技術路徑。
國內方面，對于 FDM 技術的研究最早在包括清華大學、西安交大、華中 科大等幾所高校進行，其中清華大學下屬的企業于 2000年推出了基于 FDM技 術的商用 3D 打印機，近年來也涌現出北京太爾時代、杭州先臨三維等多家將 3D打印機技術商業化的企業。
2009 年 FDM關鍵技術專利過期，基于 FDM的 3D 打印公司開始大量出 現，行業也迎來了快速發展期，相關設備的成本和售價也大幅降低，數據顯示， 專利到期之后桌面級 FDM打印機從超過 1 萬美元下降至幾百美元，銷售數量 也從幾千臺上升至幾萬臺。
3、FDM工藝原理
FDM的工作原理是將絲狀原料通過送絲部件送入熱熔噴頭，然后在噴頭內被加熱融化，在電腦控制下噴頭沿著零件截面輪廓和填充軌跡運動，將半流動狀態的材料送到指定位置并最終凝固，同時與周圍材料粘結，選擇性的逐層熔化與覆蓋，最終形成成品。過程主要包括設計三維模型、三維模型的近似處理、STL文件的分層處理、造型及后處理。
一套完整的 FDM制造系統包括硬件系統、軟件系統，硬件系統主要指 3D 打印機本身，一臺利用 FDM技術的 3D打印機包括工作平臺、送絲裝置、加熱 噴頭、儲絲設備和控制設備五大部分組成。
一套完整的 FDM制造系統包括硬件系統、軟件系統，硬件系統主要指 3D 打印機本身，一臺利用 FDM技術的 3D打印機包括工作平臺、送絲裝置、加熱 噴頭、儲絲設備和控制設備五大部分組成。
軟件系統是指設計人員利用 CAD 軟件進行擬打印產品的三維圖形繪制， 或者利用 3D掃描儀將擬打印產品的數據輸入電腦，最后以 STL格式輸出原型 的幾何信息。信息處理單元由 STL文件處理、工藝處理、數控、圖形顯示等模 塊組成，分別完成對 STL文件錯誤數據檢驗與修復、層片文件生成、填充線計 算、數控代碼生成和對原型機的控制。其中，工藝處理模塊根據 STL文件判斷 制作成型過程中是否需要支撐，如需要支撐則進行支撐結構設計，并以 CLI格 式輸出產生分層 CLI文件。
二、FDM路徑相關材料
材料是 3D打印技術的關鍵所在，對于 FDM來說也不例外，FDM系統的 材料主要包括成型材料和支撐材料，成型材料主要為熱塑性材料，包括 ABS、 PLA、人造橡膠、石蠟等；支撐材料目前主要為水溶性材料。
1、成型材料
成型材料是利用 FDM技術實現 3D打印的載體，對其粘度、熔融溫度、粘結性、收縮率等方面均有較高要求，具體如下表。
總結起來，FDM對成型材料的具體要求是熔融溫度低、粘度低、粘結性好、收縮率小。
根據上述特性，目前市場上主要的 FDM 成型材料包括 ABS、PC、PP、 PLA、合成橡膠等。
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良，還具有易加工、制品尺寸穩定、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、紡織和建筑等工業領域，是一種用途極廣的熱塑性工程塑料。
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低迷，ABS價格也出現下跌，2015年以來 ABS均價為 12451元/噸，較 2015年均價下跌 14%，我們預計短期內 ABS價格很難出現 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、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、無味無臭對人體無害符合衛生安全等特點，可用于光盤、汽車、辦公設備、箱體、包裝、醫藥、照明、薄膜等多個領域。
隨著產能的不斷擴增，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。
2015年以來，在國際原油價格持續低迷背景下，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、工業和醫療衛生等領域。
目前我們可查的數據庫暫無聚乳酸價格，通過阿里巴巴查詢各廠家報價顯 示，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作物生物發酵，成本相對較高， 也因為如此，其環境友好程度較高。
合成橡膠材料。為了區別于天然橡膠，統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業、國防、交通及日常生活中。
合成橡膠價格主要受兩方面因素影響，一是國際原油價格走勢，二是天然 橡膠價格走勢，從總體上看合成橡膠價格受天然橡膠價格走勢驅動，由于合成 橡膠技術較為成熟，價格較天然橡膠低，2015年以來合成橡膠之一的丁苯橡膠 均價為 9976元/噸，較 2014年下跌 18%，天然橡膠 2015年以來均價為 13330 元/噸，較 2014 年下跌 7%，可以看合成橡膠價格主要受兩方面因素影響，一是國際原油價格走勢，二是天然 橡膠價格走勢，從總體上看合成橡膠價格受天然橡膠價格走勢驅動，由于合成 橡膠技術較為成熟，價格較天然橡膠低，2015年以來合成橡膠之一的丁苯橡膠 均價為 9976元/噸，較 2014年下跌 18%，天然橡膠 2015年以來均價為 13330 元/噸，較 2014 年下跌 7%，可以看到合成橡膠均價下跌幅度大于天然橡膠， 主要原因是油價的低迷。到合成橡膠均價下跌幅度大于天然橡膠， 主要原因是油價的低迷。
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。
總結起來，FDM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。
三、FDM的應用
根據國際 3D打印巨頭，同時也是 FDM發明者的 Stratasys公司資料顯示， FDM應用領域包括概念建模、功能性原型制作、制造加工、最終用途零件制造、 修整等方面，涉及汽車、醫療、建筑、娛樂、電子、教育等領域。
1、概念建模
概念建模的應用主要涉及建筑模型、人體工程學研究、市場營銷和設計方面。
建筑建模。計算機模擬在工程設計和建筑領域已經應用了很長一段時間。 但是，建筑可視化的傳統做法是使用木材或泡沫板制作建筑的等比例模型。這 使得建筑師可以看到建筑在實際空間中如何矗立，以及是否存在任何可以改正 的問題。而 3D 打印結合了計算機模擬的精確性和等比例模型的真實性，能夠 有效降低設計成本和開發時間，同時通過等比例的模型可以對建筑進行改良， 增加安全性和合理性。
人體工程學設計。正確的人體工程學設計對預防受傷以及加強工作效率必 不可少。3D 打印的模型允許在開發流程期間就對人體工程學性能進行精確地 測試。通過 3D 打印技術，設計人員可以創作出逼真的模型，再現產品每個單 獨部件的物理特性。在多次測試周期期間可以對材料進行修改，從而實現在將 產品全面投入生產前對其人體工程學方面進行優化。
市場營銷和設計。利用 FDM技術構建的模型可以進行打磨、上漆、甚至 鍍鉻，從而達到與新產品最終外觀一致的目的。FDM 使用生產級的熱塑塑料， 因此模型可以獲得與最終產品一樣的耐用性和使用感受。
2、功能性原型制作
在產品設計初期，可以利用 FDM技術快速獲得產品原型，而通過 FDM技 術獲得的原型本身具有耐高溫、耐化學腐蝕等性能，能夠通過原型進行各種性 能測試，以改進最終的產品設計參數，大大縮短了產品從設計到生產的時間。
3、制造加工
由于 FDM 技術可以采用高性能的生產級別材料，可以在很短的時間內制 造標準工具，并可進行小批量生產，通過小批量生產可以使用與最終產品相同 的流程和材料來創建原型，并在等待最終模具從車間發往各地的同時，即可將 新產品上市。
4、最終用途零件
FDM技術可制造業界最為耐用、穩定、可重復使用的部件。其精度可媲美 注塑成形，且能使用多種熱塑性材料，通過 FDM 技術，制造商可以抓住更多 小批量制造、定制最終用途零件和工廠自動化的機會。
5、FDM應用案例
豐田公司利用 FDM技術制作母模
豐田公司采用 FDM 工藝制作右側鏡支架和四個門把手的母模，通過快速 模具技術制作產品而取代傳統的 CNC制模方式，使得 2000 Avalon車型的制 造成本顯著降低，右側鏡支架模具成本降低 20 萬美元，四個門把手模具成本 降低 30萬美元。FDM工藝已經為豐田公司在轎車制造方面節省了 200萬美元。
美國 Mizunos公司利用 FDM技術制造新產品母模
Mizuno是世界上最大的綜合性體育用品制造公司，公司計劃開發一套新的 高爾夫球桿，通常需要 13個月的時間。FDM的應用大大縮短了這個過程，設 計出的新高爾夫球頭用 FDM 制作后，可以迅速地得到反饋意見并進行修改， 大大加快了造型階段的設計驗證，一旦設計定型，FDM最后制造出的 ABS原 型就可以作為加工基準在 CNC 機床上進行鋼制母模的加工。新的高爾夫球桿 整個開發周期在 7 個月內就全部完成，縮短了 40%的時間。目前，FDM 快速 原型技術已成為Mizuno美國公司在產品開發過程中起決定性作用的組成部分。
FDM技術在福特汽車公司中的應用
福特公司常年需要部件的襯板，當部件從一廠到另一廠的運輸過程中，襯 板用于支撐、緩沖和防護。襯板的前表面根據部件的幾何形狀而改變。福特公 司一年間要采用一系列的襯板，一般地，每種襯板改型要花費成千萬美元和 12 周時間制作必需的模具。新襯板的注塑消失模被聯合公司選作生產部件后，部 件的蠟靠模采用 FDM制作，制作周期僅 3 天。其間，必須小心的檢驗蠟靠模 的尺寸，測出模具收縮趨向。緊接著從鑄造石蠟模翻出 A2 鋼模，該處理過程 將花費一周時間。模具接著車削外表面，劃上修改線和水平線以便機械加工。 該模具在模具后部設計成中空區，以減少用鋼量，中空區填入化學粘結瓷。僅 花 5周時間和一半的原來成本，而且制作的模具至少可生產 3萬套襯板。采用 FDM工藝后，福特汽車公司大大縮短了運輸部件襯板的制作周期，并顯著降低了制作成本。
四、FDM優點及存在的問題
與其他 3D打印技術路徑相比，FDM具有成本低、原料廣泛等優點，同樣 存在成型精度低、支撐材料難以剝離等特點，下面做簡要分析。
1、具有的優點
成本低。FDM技術不采用激光器，設備運營維護成本較低，而其成型材料 也多為 ABS、PC 等產用工程塑料，成本同樣較低，因此目前桌面級 3D 打印 機多采用 FDM技術路徑。
成型材料范圍較廣。通過上述分析我們知道，ABS、PLA、PC、PP 等熱 塑性材料均可作為 FDM 路徑的成型材料，這些都是常見的工程塑料，易于取 得，且成本較低。
環境污染較小。在整個過程中只涉及熱塑材料的熔融和凝固，且在較為封 閉的 3D 打印室內進行，且不涉及高溫、高壓，沒有有毒有害物質排放，因此 環境友好程度較高。
設備、材料體積較小。采用 FDM 路徑的 3D 打印機設備體積較小，而耗 材也是成卷的絲材，便于搬運，適合于辦公室、家庭等環境。
原料利用率高。沒有使用或者使用過程中廢棄的成型材料和支撐材料可以進行回收，加工再利用，能夠有效提高原料的利用效率。
后處理相對簡單。目前采用的支撐材料多為水溶性材料，剝離較為簡單，而其他技術路徑后處理往往還需要進行固化處理，需要其他輔助設備，FDM則不需要。
2、存在的缺點
成型時間較長。由于噴頭運動是機械運動，成型過程中速度受到一定的限制，因此一般成型時間較長，不適于制造大型部件。
需要支撐材料。在成型過程中需要加入支撐材料，在打印完成后要進行剝 離，對于一些復雜構件來說，剝離存在一定的困難。另外，隨著技術的進步， 一些采用 3D 打印廠家已經推出了不需要支撐材料的機型，該缺點正在被逐步 克服。
3、與其他 3D打印技術的對比
與 SLA、LOM、SLS 等成熟 3D 打印技術相比，FDM 具有自己的特點， 總體來說，FDM技術適合于對精度要求不高的桌面級 3D打印機，易于推廣， 市場空間也較大。
五、結論及展望
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 制作出產品原型，并通過實體對產品原型進行改進，與傳統的計算機建模相比， 能夠真實的將實物展現在設計人員的面前。同時 FDM 技術也可以在各種文娛 創意領域中廣泛應用，能夠滿足人們對一些產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。同時由于 FDM 技術專利已經到期， 其大面積推廣已經不存在障礙，因此我們預計采用FDM技術路徑的3D打印機， 特別是桌面級 3D打印機的市場空間將急劇增加。
(責任編輯：admin)
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