任务一
FDM技术

学习目标

1.熟悉FDM技术的工作原理。

2.熟悉FDM技术的工艺特点。

3.了解和认知FDM技术的成型材料及设备。

4.了解FDM技术的应用情况。

任务描述

本任务要求学生对FDM技术具有整体的认知，通过老师讲解、观看视频等形式，掌握FDM技术的基本原理、技术特点、使用材料，了解目前市面上典型的厂家和设备，熟悉FDM技术市场发展、FDM技术应用领域。

知识平台

一、FDM技术原理

FDM技术，又称熔丝堆积成型技术、熔融挤出成型技术，FDM技术成型原理如图2-1所示。在三维模型的驱动下，喷头根据产品零件的截面轮廓信息作 X - Y 平面运动，供丝机构将丝料送至喷头，并将其加热融化成半液态，经喷头挤出后，有选择性地涂覆在工作台上。涂覆后的丝料迅速冷却固化后形成一层截面实体。片层成型后，工作台下降一个截面层高度，喷头再进行下一层的涂覆，如此循环，直到最终形成三维产品零件。

成型过程中，每一个截面层都是在上一层上堆积而成的，上一层对当前层起到定位和支撑作用。当成型截面形状发生较大变化时，上一层轮廓无法为当前层提供足够的定位和支撑作用，这就需要添加辅助结构，即支撑结构，为后续层提供定位和支撑，以保证成型过程顺利完成。一般而言，FDM技术过程均需制作支撑。为节省材料成本和提高沉积效率，新型的FDM设备采用了双喷头结构。其中：一个喷头用于沉积成型材料；另一个喷头用于沉积支撑材料。此外，双喷头还可以灵活地选择具有特殊性能的支撑材料，以便后处理过程中支撑材料的去除，如水溶性材料、低于成型材料熔点的热熔性材料等。

二、FDM技术特点

（一） FDM技术优点

1.成本相对较低

FDM技术无需激光器等贵重元器件，因此相比其他使用激光器的快速成型技术，其制作费用相对较低；此外，成型材料也多为ABS、PC等常用工程塑料，成本也较低。

2.成型材料广泛

FDM技术所用材料多种多样，主要有ABS、石蜡、人造橡胶、聚酯热塑性塑料等低熔点材料，以及低熔点金属、陶瓷、碳纤维等的丝料。ABS材料可染色，可直接制作出彩色的模型制件，FDM彩色成型材料如图2-2所示。

3.后处理工艺简单

支撑结构容易剥离，特别是制件的翘曲变形较小，成型制件经简单的支撑剥离后即可投入使用，目前出现的水溶性支撑材料使得支撑结构更易剥离。

此外，FDM技术还有以下优点：能成型任意复杂外形曲面的模型制件，常常用于成型具有很复杂内腔结构的零件；由于ABS材料具有较好的化学稳定性，能采用γ射线进行消毒，因此特别适合用于制作医用模型。

4.设备、材料体积小，环境友好程度高

FDM技术的3D打印机设备、耗材体积较小，适合办公环境。且在整个打印过程中，只涉及热塑耗材的熔融和凝固，一般在封闭的室内进行，不涉及高温、高压，无有毒物质排放，无粉尘污染，环境友好程度较高。

（二） FDM技术缺点

1.成型精度低

与其他工艺相比，FDM技术成型制件表面存在明显的阶梯效应。FDM成型制件粗糙的表面如图2-3所示，U盘外壳呈现一层层明显的条纹状。因此，需配合后续抛光处理，目前不适合高精度的应用。

2.成型速度较慢

FDM技术的喷头运动是机械运动，成型过程中速度受到一定的限制，因此一般成型时间较长，只适合制作中、小型成型制件。另外，FDM技术需设计、制作支撑结构，并且需对整个轮廓截面进行扫描和铺覆，因此成型时间较长。为尽量避免这一缺点，可采用双喷头同时铺覆的方法来提高成型速度和成型效率。

三、FDM技术材料及设备

使用材料及设备是FDM技术发展的核心与关键部分，它与成型制件的成型速度、成型精度、物理化学性能及应用均息息相关。

（一） FDM技术材料

FDM技术的使用材料包括成型材料和支撑材料两种。一般的热塑性材料进行适当改性后都可作为FDM技术的成型材料。高熔点的金属粉末、陶瓷粉末、玻璃纤维、碳纤维等与低熔点的蜡或塑料熔融丝混合可作为多相成型材料。目前，成型材料主要指单相成型材料，一般为ABS、石蜡、尼龙、PC和聚苯砜（polyphenysulfone，PPSF）等。多相材料成型目前仍处于实验室阶段，尚无投入实际生产的商品化设备。支撑材料有两个类型：一种是剥离性支撑，是需要从零件表面手动剥离的支撑；另一种是水溶性支撑，它可以溶解于碱性水溶液。对Stratasys公司几种常用材料进行分析，其常用FDM技术材料的基本信息见表2-1。

由表2-1可知，Stratasys公司的成型材料品种较多，综合性能较好，但产品的价格过高。相对而言，国内材料比较单一（一般提供ABS和PLA材料）且性能与国外材料也有一定的差距。因此，材料的开发仍是促进FDM技术发展的关键性问题。

（二）国内外FDM技术设备

Scott Crump在1988年提出了熔融沉积的思想，并于1991年开发出第一台商业机型。FDM技术中以美国Stratasys公司开发的FDM制造系统应用最为广泛。该公司自1993年开发出第一台FDM1650机型后，先后推出了FDM2000、FDM3000、FDM8000机型，1998年又推出了FDM Quantum机型。

随着FDM技术的更新换代，Stratasys公司先后推出了Mojo系列、Uprint系列、Dimension系列、Fortus系列、Makerbot系列等多个系列多款FDM打印机。其中概念型uPrint SE系列适用于任何办公环境，减少开发时间；设计型Dimension系列可制备出具有更出色结构和表面效果的产品；工业型Fortus系列可匹配改性特种塑料，制备测试样件。Stratasys公司生产的适用不同使用环境的FDM打印机如图2-4所示。在成型软件方面，Stratasys公司研发出针对FDM系统的QuickSlice 6.0的软件包和针对Genisys系统的AutoGen 3.0软件包，并采用触摸屏，使操作更加直观简便。另外，还有适合个人、家庭及工作室使用的Mojo个人打印机，成型尺寸仅为127mm×127mm×127mm。

国内方面，清华大学、西安交通大学等很早就开始了对FDM技术的研究，同时也涌现出了多家将3D打印技术商业化的企业，但该技术在我国目前基本停留在桌面FDM设备的范畴。目前国内外FDM技术典型厂商及设备见表2-2。

四、FDM技术应用

FDM技术比较适合家用电器、办公用品、模具行业新产品的开发，以及用于医学、医疗、大地测量、考古等基于数字成像技术的三维实体模型制造。该技术无需激光系统，因而价格低廉，运行费用低且可靠性高。

从目前出现的打印工艺方法来看，FDM技术在医学领域的应用尤其具有独特的优势。Stratasys公司在1998年与MedModeler公司合作开发了专用于医学领域的MedMod eler机型，使用ABS材料；并于1999年推出可使用聚酯热塑性塑料的Genisys改进机型Genisys Xs。2014年5月，Stratasys公司制作的蜡材牙冠、牙桥和牙框架，不仅表面光洁度非常高，并且不会出现收缩、开裂等现象。FDM技术在牙科上的应用实例如图2-5所示。

采用FDM技术还可以进行玩具的开发、个性化玩具的定制。德国化学家StefanKneip就以PLA为原料，制备出了一款非常未来范的玩具——“反重力器”[图2-6（a）]，通过对CAD文件做一些必要的修改，完成整个玩具所有部件的打印仅需数小时。个性化定制的玩具车模型如图2-6（b）所示。

工业制造也是FDM技术的一大应用领域。均采用FDM技术制作的零部件如图2-7所示，该类样品不仅具有丰富的色彩，而且采用了整体成型方式从而避免了配件的组装工序。此外，海尔公司在其工业4.0战略中也提出采用FDM技术制备免清洗洗衣机。从表2-3可以看出，FDM技术制造免清洗洗衣机的成本和周期是具有明显的优势和市场竞争力的。FDM技术制作的零部件如图2-7所示。

课后习题

1.简述FDM技术的成型原理。

2.FDM技术的成型材料有哪些？

3.查找网络资料，了解FDM技术还有哪些应用？ ze2GOcFMjPCw1h8TcbchNkULNX4JNWPQzBzeWyVViUwPlQc7Jm7TccETj8+XPqL1