任务1.2
熔融沉积成型工艺原理及应用

1.2.1 熔融沉积成型工艺原理

（1）熔融沉积成型工艺原理

熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM），是一种将各种热熔性的丝状材料（蜡、ABS和尼龙等）加热熔化成型的方法，是 3D打印技术的一种。它又被称为熔丝成型（Fused Filament Modeling，FFM）或熔丝制造（Fused Filament Fabrication，FFF），两个不同名词主要是为了避开前者FDM专利问题，然而核心技术原理与应用其实均是相同的。热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型的部分温度稍低于固化温度。热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一个层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体零件。

先用CAD软件建构出物体的 3D立体模型图，将物体模型图输入FDM装置。FDM装置的喷嘴就会根据模型图一层一层移动，同时FDM装置的加热头会注入热塑性材料（ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）树脂、聚碳酸酯、PPSF（聚苯砜）树脂、聚乳酸和聚醚酰亚胺等）。材料被加热到半液体状态后，在电脑的控制下，FDM装置的喷嘴就会沿着模型图的表面移动，将热塑性材料挤压出来，在该层中凝固形成轮廓。FDM装置会使用两种材料来执行打印的工作，分别是用于构成成品的建模材料和用作支架的支撑材料，通过喷嘴垂直升降，材料层层堆积凝固后，就能由下而上形成一个 3D打印模型的实体。打印完成的实体，就进入最后的步骤，剥除固定在零件或模型外部的支撑材料或用特殊溶液将其溶解，即可使用该零件了。

（2）系统组成

一迈智能科技MAGIC-HL-L为东莞一迈智能科技有限公司推出的一台FDM快速成型机，该系统主要包括硬件系统、软件系统、供料系统。硬件系统由两部分组成，一部分控制机械运动承载加工，另一部分控制电气运行与温度等。以下以一迈智能科技MAGIC-HL-L为例介绍FDM快速成型系统。

1）硬件系统

一迈智能科技MAGIC-HL-L硬件系统包括X、Y、Z三轴运动模块、挤出机挤出模块、成型室、控制器、电源等部分，各部分模块化设计，各单元互相独立。如整机运动精度取决于X、Y、Z三轴运动这一模块的精度。成型件的成型质量，则主要由X、Y、Z三轴运动模块、挤出机挤出模块的运行精度决定。

2）软件系统

软件系统主要为控制整台快速成型机运行的控制器控制系统、切片处理软件。控制器控制系统，通过SD存储卡、RS232、以太网、Wi-Fi等方式获取经过切片软件处理过的成型数据，并根据该数据控制各轴运动、挤出机电机运作，挤出丝材。

切片处理软件，则是通过对STL文件进行离散分层处理，根据每层的截面信息，依照控制系统的控制参数，输出包含控制快速成型机运作的指令文件。

（3）工艺过程

跟其他快速成型工艺一样，FDM快速成型的工艺过程一般分为前处理、原型制作和后处理三部分。

1）前处理

前处理包括CAD三维造型、三维CAD模型的近似处理、确定成型方向、切片分层等。

2）原型制作

①支撑的制作

由于FDM的工艺特点，快速成型系统必须对产品三维CAD模型做支撑处理，否则，在分层制造过程中，当上层截面大于下层截面时，上层截面的多出部分将会出现悬浮（或悬空），从而使截面部分发生塌陷或者变形，影响零件原型精度，甚至导致产品不能成型。支撑还有一个重要作用就是建立基础层。在工作平台和原型底层之间建立缓冲层，使原型制作完成后便于剥离工作平台。此外，基础支撑还可以给制造过程提供一个基准面。所以FDM造型的关键一步是制作支撑。在设计支撑时，需要考虑影响支撑的因素，包括支撑的强度和稳定性、支撑的加工时间、支撑的可去除性等。

②实体制作

在支撑的基础上进行实体造型，自下而上层层叠加形成三维实体。

3）后处理

FDM快速成型的后处理，主要是对原型进行表面处理。去除实体的支撑部分，对部分实体表面进行处理，使原型精度、表面粗糙度等达到要求。但是，原型部分复杂和细微结构的支撑很难去除，在处理过程中会出现损坏原型表面的情况，从而影响表面质量，在实际操作中采用水溶性或者溶液可溶解支撑材料，可有效解决该问题。

（4）成型精度控制

在FDM工艺成型过程中，影响成型件精度的因素有很多，起主要作用的有以下几个方面：

1）CAD模型离散化过程中的两重精度损失

三维CAD模型转化为STL格式文件和分层后的CLI格式文件都会带来误差，这种情况与SLA成型类似。

2）材料收缩引起的误差

FDM系统所用材料为热塑性材料，成型过程中材料会发生两次相变过程，一次是由固态丝状受热熔化成熔融状态，另一次是由熔融状态经过喷嘴挤出后冷却成固态。在凝固过程中材料的体积收缩会产生内应力，这个内应力容易导致翘曲变形和脱层现象。

①热收缩：材料因其固有的热膨胀率而产生的体积变化，它是收缩产生的最主要因素。由热收缩引起的收缩量为

式中Δ——材料的线膨胀系数，℃；

L——零件沿收缩方向线尺寸，mm；

Δt——温差，℃。

固化收缩（即热收缩）引起制件尺寸误差和翘曲变形：由喷头挤出的是热熔融状的树脂，材料固有的热膨胀引起的体积变化在冷却固化的过程中产生收缩，收缩引起制件的外轮廓向内偏移、内轮廓向外偏移，造成较大的尺寸误差。

②分子取向的收缩：高分子材料固有的水平方向（即填充方向）的收缩率大于高度方向（即堆积方向）的收缩率，使各向尺寸收缩量不均。成型过程中，熔态的树脂分子在填充方向上被拉长，又在随后的冷却过程中产生收缩，而取向作用会使堆积丝在填充方向的收缩率大于与该方向垂直的方向的收缩率。

填充方向上的收缩量可按以下公式矫正为

堆积方向（即Z向）的线膨胀系数δ ₂ 一般取δ ₂ ＝ 0.76，堆积方向收缩量为

式中β——影响系数，考虑实际零件尺寸的收缩还受零件形状、打网格的方式以及每层成型时间长短等因素单独或交互的制约，经实验估算β取 0.3。

δ ₁ ——材料水平方向的收缩率。

δ ₂ ——材料垂直方向的收缩率。

3）误差控制措施

针对严重影响成型件精度的变形情况，可以采取以下两种措施对其进行校正或将其影响降到最低。

①针对尺寸收缩引起的误差，可采取在CAD造型阶段预先进行尺寸补偿。在填充方向即XY方向增加ΔL ₁ 的补偿量；在堆积方向（即Z向）增加ΔL ₂ 的补偿量。

②对于制件的翘曲变形，可以采用多种合理的制作方法减少收缩应力。如对截面实心部分进行虚线填充扫描、先X方向后Y方向交织扫描，这样可以减少扫描线的绝对收缩量，使其收缩应力充分释放、减少变形。对轮廓线采取先填充后扫描的方法，也有利于收缩应力的释放、避免轮廓线的变形、提高表面质量。

③为了消除内应力引起的翘曲变形现象，可先在垫层上用材料与造型相同、底面略大的薄层底座，然后在底座上面造型，使变形都在底座上，而实际造型时产生的内应力相互抵消，或者设计合理的支撑结构限制翘曲变形等。

（5）熔融沉积成型工艺前处理流程（图 1.2.1）

1.2.2 熔融沉积成型工艺的材料

材料是 3D打印技术的关键所在，对于FDM来说也不例外，FDM系统的材料主要包括成型材料和支撑材料，成型材料主要为热塑性材料，如图 1.2.2 所示，包括ABS、PLA、人造橡胶、石蜡等。支撑材料目前主要为水溶性材料。FDM采用热塑成型的方法，丝材要经受“固态—液态—固态”的转变，对材料的特性、成型温度、成型收缩率等有着特定的要求。线材线径：常规 1.75 mm和 3 mm。

FDM快速成型系统使用的材料可分为成型材料（图 1.2.3）和支撑材料（图 1.2.4）。

（1）FDM工艺对成型材料的要求

①材料的黏度低。材料的黏度低，流动性好，阻力就小，有助于材料顺利挤出。

②材料的熔融温度低。熔融温度低可以使材料在较低温度下挤出，有利于提高喷头和整个机械系统的寿命。可以减少材料在挤出前后的温差，减少热应力，从而提高原型的精度。

③黏结性好。FDM成型是分层制造的，层与层之间是连接最薄弱的地方，如果黏结性过低，会因热应力造成层与层之间开裂。

④材料的收缩率对温度不能太敏感。材料的收缩率如果对温度太敏感会引起零件尺寸超差，甚至翘曲、开裂。

常见成型材料见图 1.2.3。

（2）FDM工艺对支撑材料的要求

①能承受一定的高温。由于支撑材料与成型材料在支撑面上接触，所以支撑材料必须能够承受成型材料的高温。

②与成型材料不浸润。加工完毕后支撑材料必须去除，所以支撑材料与成型材料的亲和性不能太好，便于后处理。

③具有水溶性或酸溶性。为了便于后处理，支撑材料最好能溶解在某种液体中。由于现在的成型材料一般用ABS工程塑料，该材料一般能溶解在有机溶剂中，所以支撑材料最好具有水溶性或酸溶性。

④具有较低的熔融温度。具有较低的熔融温度可以使材料在较低的温度挤出，提高喷头的使用寿命。

⑤流动性好。对支撑材料的成型精度要求不高，为了提高机器的扫描速度，要求支撑材料具有很好的流动性。

水溶支撑材料如图 1.2.4 所示。

（3）熔融沉积成型工艺的成型材料

成型材料是利用FDM技术实现 3D打印的载体，对其黏度、熔融温度、黏结性、收缩率等方面均有较高要求，具体如表 1.2.1 所示。

根据上述特性，目前市场上主要的FDM成型材料包括ABS、PC、PP、PLA、合成橡胶等，如表 1.2.2 所示。

（4）熔融沉积成型工艺的支撑材料

支撑材料，顾名思义是在 3D打印过程中对成型材料起到支撑作用的部分，在打印完成后，支撑材料需要进行剥离，因此也要求其具有一定的性能，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。具体特性要求如表 1.2.3 所示。

FDM对支撑材料的具体要求是能够承受一定的高温，与成型材料不浸润，具有水溶性或者酸溶性，具有较低的熔融温度，流动性要好等。

1.2.3 熔融沉积成型工艺的优缺点

熔融沉积成型技术之所以能够得到广泛应用，主要是由于其具有其他快速成型工艺所不具备的优势，具体表现为以下方面：

①广泛熔融沉积成型技术所应用的材料种类很多，主要有PLA、ABS、尼龙、石蜡、铸蜡、人造橡胶等熔点较低的材料，以及低熔点金属、陶瓷等丝材，这些可以用来制作金属材料的模型件或PLA塑料、尼龙等产品。

②成本相对较低，因为熔融沉积成型技术不使用激光，与其他使用激光器的快速成型技术相比，它的制作成本更低。除此之外，其原材料利用率很高并且几乎不产生任何污染，而且在成型过程中没有化学变化的发生，在很大程度上降低了成型成本。

③后处理过程比较简单，熔融沉积成型技术所采用的支撑结构很容易去除，尤其是模型的变形比较微小，原型制件的支撑结构只需要经过简单的剥离就能直接使用。出现的水溶性支撑材料使支撑结构更易剥离。

此外，熔融沉积成型技术还有以下优点：用石蜡成型的制件，能够快速直接地用于失蜡铸造；能制造任意复杂外形曲面的模型件；可直接制作彩色的模型件。当然，和其他快速成型工艺相比较而言，熔融沉积成型技术在以下方面还存在一定的不足：

①只适用于中小型模型件的制作。

②成型零件的表面条纹比较明显。

③厚度方向的结构强度比较薄弱，因为挤出的丝材是在熔融状态下进行层层堆积，而相邻截面轮廓层之间的黏结力是有限的，所以成型制件在厚度方向上的结构强度较弱。

④成型速度慢、成型效率低。

在成型加工前，由于熔融沉积成型技术需要设计并制作支撑结构，同时在加工的过程中需要对整个轮廓的截面进行扫描和堆积，因此需要较长的成型时间。熔融沉积成型工艺包括前处理、成型加工过程和后处理三个部分：前处理主要包括零件的三维建模、模型切片处理、切片文件的校验与修复、模型摆放位置的确定以及加工参数的确定；成型加工过程是指零件被加工制造的阶段；后处理是指零件加工完成后，为了满足使用工况需求，对其表面和支撑结构进行修复处理的过程。

1.2.4 熔融沉积成型工艺的应用

熔融沉积成型工艺在工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用（图 1.2.5 至图 1.2.8）。