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●问题导入
●认知学习
➢FDM 成形常用材料
➢FDM 使用材料基本要求
➢FDM 使用材料的特点
➢可溶解支撑材料
●拓展深化
●分析与评价
1.了解FDM常用材料。
2.了解FDM用丝材的基本要求。
3.理解FDM用丝材的成形特点及分类。
4.了解FDM用丝材的发展趋势。
3D打印（或增材制造）正变得越来越普及和重要，不再限于小型普通材料的零件成形，而是更多地改变原型的制作和生产过程。现在全球 3D打印机每年销售量超过 300 万台，其中多数是FDM 3D打印机。如图 1.2.1 所示为小型普通材料的零件成形。
可以用桌面级 3D打印机做点什么？这些丝材打印的零件能够满足人们的要求吗？
图 1.2.1 小型普通材料的零件成形
FDM 技术丝材材料非常丰富，目前塑料零件使用的所有热塑性材料基本上都可以制成丝材供FDM 技术使用，如PLA及ABS、蜡丝、聚烯烃树脂、尼龙丝、聚酰胺丝，见表 1.2.1。FDM 技术使用丝状材料，常用丝材直径为 1.75 mm，固定在供料辊上，每卷材料质量为 1 kg（图 1.2.2、图 1.2.3）。
表 1.2.1 常用丝材材料
图 1.2.3 不同颜色的FDM丝材
（图片来源于易生）
图 1.2.2 FDM 使用PLA丝材
除了常见的热塑性材料以外，基本符合以下条件的材料都可以使用FDM方法成形：
①便于制成丝材。
②熔点较低且高温情况下流动性较好。
③高温下具有一定的黏结性，便于分层制造。
④材料收缩率对温度不敏感，成形后零件变形不严重。
⑤无毒，无污染。
根据打印要求不同，可以在热塑性材料中添加短纤维、木材、导电材料、生物材料、金属材料等特殊材料。
巴斯夫推出了一款金属丝 3D打印线材，使用FDM 3D打印机打印成形之后，可以得到金属制件，相比一般的激光熔融金属 3D打印工艺，成本可降至 1/10。该材料是采用金属粉末与黏合材料充分混合后拉丝成为线材，通过烘烤脱脂，去除部分黏合材料的金属件，然后高温烧结，去除所有的黏合材料，金属粉末收缩成最终的金属件制品，如图 1.2.4、图 1.2.5所示。
图 1.2.4 金属丝 3D打印线材
图 1.2.5 金属丝制品
FDM技术成为目前应用较为广泛的 3D打印技术与其使用材料有很大关系。FDM使用材料的特点主要包括：
①塑料原材料熔点低、工艺成熟，价格较低而且制成丝材的成本不高。
②与其他使用粉末和液态材料的工艺相比，丝材更加清洁，易于更换、保存，不会在设备中或附近形成粉末或液态污染。
③可选用多种材料、多种颜色，如可染色的ABS和医用ABS、PC、PPSF等。
④丝材便于更换，实际操作简单。
支撑材料顾名思义是一种打印后在水中或其他溶液里溶解的 3D打印材料，主要解决FDM打印零件支撑难以去除的问题，一般用于配备有双喷头的工业级FDM设备上使用。如图 1.2.6 所示，在 3D打印过程中支撑材料对材料起到支撑作用，打印完成后，将零件整体放入水或其他溶液里，支撑材料就会自动溶解。目前采用的支撑材料一般为水溶性材料，即在水中能够溶解，方便剥离。常见的支撑材料为PVA水溶支撑材料。
图 1.2.6 可溶解支撑材料
FDM技术对支撑材料的要求见表 1.2.2。
表 1.2.2 FDM技术对支撑材料的要求
FDM成形方法可以不使用丝材，例如，人们常见的建筑 3D打印使用的是混凝土，食品 3D打印使用的是食物浆料。塑料材料的 3D打印也可以不用将塑料成形成丝材，而是采用颗粒料（注塑成形的原料）直接FDM成形，这样做的好处是原料与注塑成形一致，成本更低，可以成形更大的零件。
图 1.2.7 3D打印船
2020 年，美国缅因大学采用FDM技术打印了一艘长 7.6 m、质量为 2 268 kg的“船”（图 1.2.7），这是有史以来体积最大的 3D打印物，显示 3D打印技术应用于模型和原型样机制作的前景。这艘船是在 72 h不间断打印过程中一体成形制成，制造成本约40 000 美元。打印出这艘船的全球最大型的打印机长 21 m，造价 250 万美元（约合人民币 1 779 万元），每小时可喷射 226.8 kg塑料聚合物颗粒。如果添加附件，它可以增长至30 m，打印长宽高分别为 30 m、6.7 m、3 m的物体。
Stratasys采用蓖麻油开发了一款 100%生物基可持续材料High Yield PA11，以实现环保生产制造。
蓖麻油由蓖麻籽制成，这种植物广泛生长在世界各地的热带区。根据巴斯夫的数据，印度是目前最大的蓖麻籽生产国，供应量占世界总量的80%，即120万吨。在气候适宜的地区，蓖麻籽很容易生长。蓖麻籽的含油量为 40%～ 60%，剩余部分通常用作肥料。事实上，在合成材料被开发出之前，这种植物多年来都被用作发动机润滑油。此外，蓖麻油还是一种不可食用的植物油。由于其在化学上的多功能性，企业可以从蓖麻油中合成多种聚合物，如环氧树脂、聚酰胺和聚酯，PA11 便是其中之一。如图 1.2.8 所示为蓖麻和PA11 打印零件。
图 1.2.8 蓖麻 和PA11 打印零件
相比来源于石油的大多数FDM耗材，PA11 的延展性、抗冲击强度和抗疲劳性都更为出色。目前，生物基可持续材料PA11 已经变成数以百万计的消费类电子产品、汽车、工业产品等领域高品质耐用终端零件，验证了材料行业的发展对环境保护、碳中和和碳达峰的贡献。
问题：
①人们还可能需要什么样的 3D打印材料？这些材料如何加工？
②在生活中还可以使用什么材料进行类似FDM的3D打印？你是否亲手制作过生日蛋糕？回忆一下奶油是如何涂在蛋糕上的。
③如何使用FDM方法打印多彩的 3D打印零件？
_______________项目学习任务评价表
1.市场上常见的 3D打印机所用的打印材料直径为（ ）。
A. 1.75 mm B. 1.85 mm C. 2 mm D. 3 mm
2.市场上常见的 3D打印机所用的喷嘴直径为（ ）。
A. 0.2 mm B. 0.4 mm C. 0.5 mm D. 0.8 mm
1. FDM工艺使用丝材的基本要求包括（ ）。
A.方便制造成丝材B.在高温下有较好的黏结性
C.热膨胀率较小D.价格便宜
E.加热及冷却过程中不能释放有毒气体
2. FDM是目前应用较广泛的 3D打印技术，从使用材料的角度，主要的原因包括（ ）。
A.塑料行业成熟，可选材料较多 B.丝材成形过程清洁、无污染
C.塑料材料强度高，可直接使用 D.塑料加热温度低，对设备要求低
E.塑料便于储存及运输
1. FDM方法不能打印金属零件。（ ）
2.桌面级FDM打印机支持多色零件打印。（ ）
3.工业级FDM设备就是桌面级FDM设备的放大版。（ ）
4.桌面级和工业级FDM设备材料可以通用。（ ）
5.只要能做成丝材的材料都可以使用FDM方法成形。（ ）
6.与其他 3D打印方法相比，FDM方法成形设备价格低，成形原材料价格低。（ ）
7. FDM方法只能用丝材。（ ）
8. FDM方法只能打印塑料材料，无法在工业中应用。（ ）
9.可溶性材料一般在工业级FDM设备中作支持材料。（ ）