揭秘3D打印技术之FDM原理

　　在尚未见到3D打印机之前，想必您同我一样想一睹3D打印机的“芳容”，浏览关于3D打印机的论坛、贴吧甚至在百度搜索框中输入“3D打印机”一探3D打印机的究竟。一个个“栩栩如生”的3D打印作品映入眼帘，心里对3D打印产生着这样或那样的疑惑。3D打印的模型究竟如何出炉？事实上，3D打印的学名为增材制造技术，相比传统减材制造技术，增材制造技术是将模型一层层打印出来。就3D打印成型工艺而言五花八门，诸如：FDM、SLA、SLS、SLM、DLP、3DP等，这些成型技术原理不一、各有特色，但无不呈现同一特性，那就是增材制造。之前笔者在《领衔高新技术 国产桌面SLA 3D打印机》系统解析过SLA技术的成型原理。今天，笔者将解开FDM技术成型原理的面纱。

　　●什么是3D打印技术之FDM

　　或许你曾纠结于诸如形象各异的小装饰品究竟如何出炉，或许你曾苦思悯想搞懂3D打印技术的成型原理。究竟这些精美的打印品如何通过3D打印出现在人们面前？

　　

　　精美的3D打印成品

　　今天我们来揭示作为3D打印成型技术之一的熔融沉积成型技术（FDM）。FDM是“Fused Deposition Modeling”的简写形式，即为熔融沉积成型。搞懂FDM成型技术，首先我们需要转变思维。通常2D打印是在一张纸上（一个平面上）完成打印，而3D打印是完成一个立体模型的打印。FDM，通俗来讲就是利用高温将材料融化成液态，通过打印头挤出后固化，最后在立体空间上排列形成立体实物。

　　

　　平面数轴（左）立体数轴（右），3D打印是完成立体模型的打印工作

　　FDM是目前3D打印机使用较广的技术，同时FDM成型技术已被Stratasys公司注册专利。基于FDM成型技术的机型在中国甚至世界3D打印机市场占有较大的比例。较为著名的FDM 3D打印机有MakerBot Replicator系列、3D Systems的Cube系列、太尔时代UP！系列、弘瑞3D打印机等。

　　

　　FDM 3D打印机

　　当然作为成型技术的FDM同其它成型技术相比有其固有的优缺点。优点：成型精度高、打印模型硬度好、多种颜色。缺点：成型物体表面粗糙。

　　当我们了解FDM 3D打印技术的时候，我们便不会再云里雾里了。其实，FDM成型技术较为简单，只要我们仔细想象一下便会明白其中的内涵。那么，一件件精致美观的3D打印品需要经过哪些步骤出炉的？下一页，我们将了解3D打印的成型过程。

　　FDM 3D打印技术来源及工艺

　　●FDM历史来源及成型过程

　　先从熔融沉积成型技术的历史来源说起。FDM技术出现在二十世纪八十年代末期。1988年，科特克鲁姆普发明了FDM（熔融沉积成型技术），次年科特克鲁姆普成立了Stratasys公司。1992年，第一台基于熔融沉积成型技术的3D打印产品出售。FDM成型技术已被Stratasys公司注册专利。

　　FDM成型原理相对简单，打印之前FDM 3D打印机内置软件自动读取3D模型数据并将其分层。分层之后，经过高温熔化的液态通过打印头挤出，挤出后遇冷迅速凝结固化，然后通过打印头在平面上的摆动以及打印板向下位移形成立体实物。

　　

　　FDM成型原理，打印头实现一个平面上的移动，打印平台上下移动实现分层

　　3D打印需要经过3D扫描、3D建模的过程，最终完成3D打印成品。当然，基于FDM成型技术的3D打印机也不例外。除去3D扫描、3D建模过程，就3D打印本身而言，FDM成型技术一般经过以下环节。首先FDM软件对3D模型数据进行分析、分层，生成打印路径以及支撑路径。其次，打印头和打印平台会升至3D模型设置的温度。

　　

　　打印头（左上）打印平台（下方），打印开始后打印平台从上向下运动

　　最后，打印过程中，打印头在平面上的位移以及打印平台上下位移会形成一个三维空间，打印头和打印平台根据生成的路径进行打印。在打印过程中，打印头完成一个平面上的打印任务后，打印平台自动下降一层，打印头继续打印。循环往复直至成品的完成。

　　

　　打印头，打印时热熔的液体会从中间细小的孔径挤出

　　

　　FDM 3D打印机打印过程，当打印头完成一个层面上的打印后，打印平台自动向下降，直到成品的完成