FDM 3D打印技术的原理及其特点介绍

一、FDM 3D打印技术的发展历程

FDM工艺（FDM 3D打印技术，下文简称为FDM、FDM技术），英文全称为：Fused Deposition Modeling，中文译为熔融沉积成型，俗称熔融挤出成型工艺。

1988年，科特克·鲁姆普(Scott Crump)发明了FDM技术，次年Scott Crump成立了Stratasys公司。

有关FDM 3D打印技术发明过程的故事：1988年的一天，FDM发明人Scott Crump欲亲手为女儿做一只玩具青蛙，他将聚乙烯和蜡烛的混合物装入一个喷胶枪中，通过一层一层堆叠，做出玩具青蛙的形状。此举激发Scott Crump提出疑问：如果将喷胶枪固定在机械手臂上，该制作过程是否可以实现自动化？为解决这个问题，Scott Crump购买了一台数字制图设备，经过一年的研究，发明了FDM 3D打印技术。

1992年，Stratasys公司推出了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机——3D造型者(3D Modeler)，这也标志着FDM技术进入商用阶段。由于FDM工艺不需要激光系统支持，成型材料多为ABS、PLA等热塑性材料，因此性价比较高，是桌面级3D打印机广泛采用的技术路径。

2009年FDM关键技术专利过期，基于FDM的3D打印公司开始大量出现，行业迎来了快速发展期，相关设备的成本和售价也大幅降低。数据显示，专利到期后桌面级FDM打印机的价格从超过1万美元下降至几百美元，销售数量从几千台上升至几万台。

二、FDM 3D打印技术的原理

FDM工艺的材料一般是热塑性材料，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层均在前一层的基础上堆积，前一层对当前层起到定位和支撑的作用。

随着堆叠高度的增加，层片轮廓的面积和形状均会发生变化。当形状发生较大的变化时，前一层轮廓不能给当前层提供充分的定位和支撑，需要设计一些辅助结构——“支撑”，“支撑”结构对后续层提供定位和支撑，以保证成型过程的顺利实现。“支撑”结构会在后处理过程中被去除。

 

图片来源：学堂在线《解密3D打印》

三、FDM 3D打印技术使用的材料

FDM技术常用材料：蜡、ABS、PC、PLA、尼龙。

FDM技术制件性能：相当于工程塑料或蜡模。

一般，FDM技术的原材料形状为丝状，丝状材料供料优点：

（1）成本低； （2）与其他材料相比更干净； （3）易于更换、保存，不会形成粉末或液体污染。 丝状材料供料缺点： FDM打印耗材对丝线的要求比较严格，材料经过齿轮卷进喷头，齿轮和固定轮之间的距离是恒定的。若丝线太粗，则会造成无法送丝或损坏送丝机构；若丝材太细，送丝机构感应不到丝材的存在。因此要求丝材具有固定的规格，规格包括直径1.75mm和3mm两种。丝状材料的缺点限制了FDM技术可使用材料的种类。

四、FDM 3D打印技术的特点

FDM技术的优点：

（1）原理相对简单，无需激光器等贵重元器件； （2）是最早实现开源的3D打印技术，用户普及率高； （3）对使用环境几乎没有限制，可在家或办公室使用； （4）原材料以卷轴丝的形式提供，易于运输和更换； （5）打印成品强度、韧性都很高。

FDM技术的缺点:

（1）喷头采用机械式结构，打印速度慢； （2）尺寸精度较差，表面相对粗糙； （3）需要设计和制作支撑结构，打印复杂结构模型时，支撑结构难以去除。

审核编辑：刘清