2.1 熔融沉积成型

熔融沉积成型又称为熔丝沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM），由Scott Crump于20世纪80年代发明，美国Stratasys公司在世界发达国家注册了专利。在3D打印技术中，FDM的机械结构最简单，设计也最容易，制造成本、维护成本和材料成本也最低，因此FDM技术是目前应用最广泛的3D打印技术。

2.1.1 熔融沉积成型的原理

FDM是将丝状热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料熔化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。FDM工艺的原理如图2-1所示，FDM切片软件自动将3D模型（由CATIA或UG、Creo等三维设计软件得到）分层，生成每层的模型成型路径和必要的支撑路径。材料的供给分为模型材料和支撑材料。相应的热熔头也分为模型材料喷头和支撑材料喷头。

如图2-2所示,熔融沉积造型技术加工的每一个产品，从最初的造型到最终的加工完成主要经历的过程如下：

（1）成型件的三维CAD建模 三维CAD模型数据是成型件真实信息的虚拟描述，它将作为快速成型系统的输入信息，所以在加工之前要先利用计算机软件建立好成型件的三维CAD模型。这种三维模型可以通过CATIA、UG或Creo等三维设计软件来完成，这些软件都具有通用性。

（2）三维CAD模型的近似处理 由于要成型的零件通常都具有比较复杂的曲面，为便于后续的数据处理，减小计算量，首先要对三维CAD模型进行近似处理。近似处理的原理是用很多的小三角形平面来代替原来的面，相当于将原来的所有面进行量化处理，而后用三角形的法矢量以及它的三个顶点坐标对每个三角形进行唯一标识，可以通过控制和选择小三角形的尺寸来达到所需要的精度要求。

（3）三维CAD模型数据的切片处理 快速成型实际完成的是每一层的加工，然后工作台或打印头发生相应的位置调整，进而实现层层堆积。因此，要得到打印头的每层行走轨迹，就要获得每层的数据。对近似处理后的模型进行切片处理，就是提取出每层的截面信息，生成数据文件，再将数据文件导入到快速成型机中。切片时切片的层厚越小，成型件的质量越高，但加工效率变低；反之，则成型质量低，加工效率提高。

（4）实际加工成型 快速成型机在数据文件的控制下，打印头按照所获得的每层数据信息逐层扫描，一层一层地堆积，最终完成整个成型件的加工。

（5）成型件的后处理 从打印机中取出的成型件，还要进行去支撑、打磨、抛光等处理，进一步提高打印的成型质量。

2.1.2 熔融沉积成型的特点

FDM技术是基于层层堆积成型的工艺过程，它具有以下优点：

1）制造系统可用于办公环境，没有毒气或有毒化学物质的危害。

2）可快速构建瓶状或中空零件。

3）与其他使用粉末和液态材料的工艺相比，丝材更加清洁，易于更换和保存，不会在设备中或附近形成粉末或液态污染。

4）概念设计原型的三维打印对精度和物理化学特性要求不高，其具有明显的价格优势。

5）可选用多种材料，如可染色的ABS、医用ABS、聚酯（PC）、聚砜（PPSF）、PLA和聚乙烯醇（PVA）等。

6）后处理简单，仅需要几分钟到十几分钟的时间，剥离支撑后原型即可使用。

经过了几十年的发展，FDM 3D打印机虽然得到广泛的应用，但它仍存在很多不足之处，具体如下：

1）成型精度低、打印速度慢。这是FDM 3D打印机的主要限制因素。

2）控制系统智能化水平低。采用FDM技术的3D打印机操作相对简单，但在成型过程中仍会出现问题，这就需要有丰富经验的技术人员操作机器，以便随时观察成型状态。因为当成型过程中出现异常时，现有系统无法进行识别，也不能自动调整，如果不去人工干预，将无法继续打印或将缺陷留在工件里的效果，这一操作上的限制影响了FDM 3D打印的普及。

3）打印材料限制性较大。目前在打印材料方面存在很多缺陷，如FDM用打印材料易受潮，成型过程中和成型后存在一定的收缩率等。打印材料受潮将影响熔融挤出的顺畅性，易导致喷头堵塞，不利于工件的成型；塑性材料在熔融后的凝固过程中，均存在收缩性，这会造成打印过程中工件的翘曲、脱落和打印完成后工件的变形，影响加工精度，造成材料浪费。

2.1.3 熔融沉积成型用材料

FDM工艺要求成型材料熔融温度低、黏度低、粘接性好和收缩率小。熔融温度低是为了方便加热；材料的黏度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利挤出。如果材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，从而影响成形精度。材料的收缩率会直接影响到最终成型制品的质量，收缩率越小越好。根据熔融沉积成型的要求，目前可以用来制作线材或丝材的材料主要有石蜡、塑料、尼龙丝等低熔点材料和金属、陶瓷等。目前市场上普遍可以购买到的线材包括ABS、PLA、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等，其中ABS和PLA最为常用。图2-3所示为使用ABS打印的模型，图2-4所示为使用PLA打印的坦克玩具模型。表2-2列举了ABS和PLA材料的性能特点和区别。

除了以上的材料之外，FDM工艺还要用到一种十分重要的材料——支撑材料。支撑材料是在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，FDM技术对支撑材料的要求见表2-3。

总而言之，FDM对支撑材料的具体要求有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。

由于在加工过程中不涉及激光技术，整体设备体积较小，耗材获取较为容易，打印成本也相对较低，因此FDM技术路径是面向个人的3D打印机的首选技术。通过采用FDM技术的3D打印机，设计人员可以在很短的时间内设计并制作出产品原型，并通过实体对产品原型进行改进。与传统的计算机建模相比，FDM技术能够真实地将实物展现在设计人员的面前。同时,FDM技术也可以在各种文娱创意领域中广泛应用，能够满足人们对一些产品的个性化定制服务。随着人民生活水平的提高，这种需求将不断增加。随着FDM技术研究的不断加深，其相应的应用缺陷将得以改进，其应用范围将得到极大的拓展。