叠加的魅力 3D打印之熔融沉积成型技能

叠加的魅力 3D打印之熔融沉积成型技能

对付3D打印而言，材料是关键所在，FDM技能路径涉及的材料紧张包括成型材料和支撑材料，根据技能特点，哀求成型材料具有熔融温度低、粘度低、粘结性好、紧缩率小等特点；支撑材料哀求具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、流动性要好等特点。

FDM运用领域包括观点建模、功能性原型制作、制造加工、终极用场零件制造、修整等方面，涉及汽车、医疗、建筑、娱乐、电子等领域，随着技能的进步，FDM的运用还在不断拓展。

3D打印的电动汽车

3D打印的医疗用具

3D打印的建筑

FDM技能优点包括本钱低、成型材料范围较广、环境污染较小、设备及材料体积较小、质料利用率高、后处理相对大略等；缺陷包括成型韶光较长、精度低、须要支撑材料等。

与其他3D打印技能比较，FDM技能不涉及激光、高温、高压等危险环节，同时其体积也较小，是成本相对较低的3D打印技能，能够大量运用于家庭及办公室环境，随着关键技能专利的到期，FDM的各种运用领域还在不断拓展，前景值得期待。

一、FDM技能的概况

1、3D打印技能路径概况

3D打印（3D Printing）技能，是在打算机掌握下，基于“增材制造”事理， 立体逐层堆积离散材料，进行零件原型或终极产品的成型与制造的技能。
该技能以打算机三维设计模型为原本，通过软件分层离散和数控成型系统，将3D实体变为多少个2D平面，利用激光束、电子束、热熔喷嘴等办法将粉末、热塑性材料等分外材料进行逐层堆积粘结，终极叠加成型，制造出实体产品。

3D打印工艺事理

经由几十年的发展，目前已经开拓出多种3D打印技能路径，从大类上划分为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型和其他成型几大类，根本成型紧张代表技能路径为熔融沉积成型（FDM）；粒状物成型技能路径紧张包括电子束熔化成型（EBM）、选择性激光烧结（SLS）、三维打印（3DP）、选择性热烧结（SHS）等；光聚合成型紧张包括光固化（SLA）、数字光处理（DLP）、聚合物喷射（PI）；其他技能包括激光熔覆快速制造技能（LENS）、熔丝制造（FFF）、 融化压模（MEM）、层压板制造（LOM）等。

3D打印紧张实现技能类型技能基本材料挤出成型熔融沉积（FDM）热塑性材料（如PLA、ABS）、共融金属、可食用材料粒状物料成型直接金属激光烧结（DMLS）险些任何金属合金电子束熔炼（EBM）钛合金选择性热烧结（SHS）热塑性粉末选择性激光烧结（SLS）热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末基于粉末床、喷头和石膏的3D打印（PP）石膏光聚合成型光固化成型（SLA）光敏聚合物数字光处理 （DLP）液体树脂

熔融沉积成型FDM工艺一样平常是热塑性材料，以丝状形态供料

个中FDM、SLA、LOM、SLS、3DP为主流技能，熔融沉积成型FDM工艺一样平常是热塑性材料，以丝状形态供料。
材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和添补轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝集；光固化快速成形SLA，又称立体光刻、光成形等，是一种采取激光束逐点扫描液态光敏树脂使之固化的快速成型工艺；叠层实系统编制造LOM工艺是快速原型技能中具有代表性的技能之一，是基于激光切割薄片材料、由黏结剂黏结各层成形；选择性激光烧结SLS工艺，是采取红外激光作为热源来烧结粉末材料，并以逐层堆积办法成形三维零件的一种快速成形技能；3DP工艺与SLS工艺类似，采取粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。
所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。

2、FDM发展进程

熔融沉积成型（FDM，Fused Deposition Modeling）是上世纪八十年代末，由美国Stratasys公司发明的技能，是即光固化快速成型（SLA）和叠层实体 快速成型工艺（LOM）后的另一种运用比较广泛的3D打印技能路径。
1992年，Stratasys公司推出了天下上第一台基于FDM技能的3D打印机——“3D 造型者（3D Modeler）”，这也标志着FDM技能步入商用阶段。
由于FDM工艺不须要激光系统支持，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打印机广泛采取的技能路径。

太尔时期是海内桌面级3D打印机的代表企业

海内方面，对付FDM技能的研究最早包括清华大学、西安交大、华中科大等几所高效进行，个中，清华大学下属的企业于2000年推出了基于FDM技能的商用3D打印机，近年来也呈现出北京太尔时期、杭州先临三维等多家将3D打印机技能商业化的企业。

2009年FDM关键技能专利过期，基于FDM的3D打印公司开始大量涌现，行业也迎来了快速发展期，干系设备的本钱和售价也大幅降落，数据显示，专利到期之后桌面级FDM打印机从超过1万美元低落至几百美元，发卖数量也从几千台上升至几万台。

3、FDM工艺事理

FDM的事情事理是将丝状质料通过送丝部件送入热熔喷头，然后在喷头内被加热融化，在电脑掌握下喷头沿着零件截面轮廓和添补轨迹运动，将半流动状态的材料送到指定位置并终极凝固，同时与周围材料粘结，选择性地逐层融化与覆盖，终极形成成品。

FDM成型过程简图

一套完成的FDM制造系统包括硬件系统、软件系统，硬件系统紧张指3D打印机本身，一台利用FDM技能的3D打印机包括事情平台、送丝装置、加热喷头、储丝设备和掌握设备五大部分组成。

二、FDM系统材料

材料是3D打印技能的关键所在，对付FDM来说也不例外，FDM系统的材料紧张包括成型材料和支撑材料，成型材料紧张为热塑性材料，包括ABS、PLA、人造橡胶、石蜡等；支撑材料目前紧张为水溶性材料。

1、成型材料

成型材料是利用FDM技能实现3D打印的载体，对其粘度、熔融温度、粘结性、紧缩率等方面均有较高的哀求，详细哀求如下：

FDM技能对成型材料的哀求性能详细哀求缘故原由粘度低材料的粘度低，流动性好，阻力就小，有助于材料顺利挤出。
材料的流动性差，须要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停相应韶光，从而影响成型精度。
熔融温度低熔融温度低可以使材料在较低温度下挤出，有利于提高喷头和全体机器系统的寿命，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。
粘结性高FDM工艺时基于分层制造的一种工艺，层与层之间每每是零件强度最薄弱的地方，粘结性好坏决定了零件成型往后的强度，粘结性过低，有时在成型过程中因热应力会造成层与层之间的开裂。
紧缩率小由于挤出时，喷头内部须要保持一定的压力才能将材料顺利挤出，挤出后材料丝一样平常会发生一定程度的膨胀。
如果材料紧缩率对压力比较敏感，会造成喷头挤出的材料丝直径与喷嘴的名义直径相差太大，影响材料的成型精度，FDM成型材料的紧缩率对温度太敏感，否则会产生零件翘曲、开裂。

总结起来，FDM对成型材料的详细哀求是熔融温度低、粘度低、粘结性好、紧缩率小。
根据上述特性，目前市场上紧张的FDM成型材料包括 ABS、PC、PP、 PLA、合成橡胶等。

ABS材料。
ABS是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，为五大合成树脂之一，具有抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能优秀，还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点，随意马虎涂装、着色，还可以进行表面喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工，广泛运用于机器、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑等工业领域，是一种用场极广的热塑性工程塑料。

ABS材料

作为一种用场广泛的合成树脂，ABS价格紧张影响成分为国际原油价格，近期国际原油价格持续低迷，ABS价格也涌现下跌，2015年以来ABS均价为12451元/吨，较2015年均价下跌14%，估量短期内ABS价格很难涌现上涨，从历年的情形看，ABS均价在15000元/吨旁边。

PC材料。
PC即聚碳酸酯，是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根据酯基的构造可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多种类型，具有高弹性系数、高冲击强度、利用温度范围广、高度透明性及自由染色性、成形紧缩率低、尺寸安定性良好、耐疲倦性佳、耐候性佳、电气特性优、无味无臭对人体无害符合卫平生安等特点，可用于光盘、汽车、办公设备、箱体、包装、医药、照明、薄膜等多个领域。

PC材料具有高弹性系数、高冲击强度、利用温度范围广、高度透明性等特点

PC材料的光盘

随着产能的不断扩增，PC价格近年来总体上呈下跌趋势，2015年以来，由于下贱需求的回暖，PC均价为19250元/吨，较去年同期上涨8%旁边，从近年来的情形看，2010年以来 PC均价为19650元/吨。

PP材料。
PP即聚丙烯，是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂，其无毒、无味，密度小，强度、刚度、硬度耐热性均优于低压聚乙烯,可在100℃旁边使 用。
具有良好的介电性能和高频绝缘性且不受湿度影响，但低温时变脆，不耐磨、易老化。
适于制作一样平常机器零件、耐堕落零件和绝缘零件。
常见的酸、碱等有机溶剂对它险些不起浸染，可用于食具。

PP材料无毒、无味、密度小，具有良好的介电性能和高频绝缘性

2015年以来，在国际原油价格持续低迷背景下，PP失落去本钱支撑，价格有所下滑，2015年以来均价为10196元/吨，较2014年均价下跌14%，统计显示，2006年以来PP均价为12120元/吨。

PLA材料。
PLA即聚乳酸，其热稳定性好，有好的抗溶剂性，可用多种办法进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸，注射吹塑。
由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用场十分广泛，可用作包装材料、纤维和非织造物等，目前紧张用于服装、工业和医疗卫生等领域。

PLA材料热稳定性好，有好的抗溶剂性

目前PLA均价在 21000元/吨旁边，其价格高于ABS、PC、PP等石化路径工程塑料，缘故原由是聚乳酸质料来自于玉米等农作物生物发酵，成本相对较高，也由于如此，其环境友好程度较高。

合成橡胶材料。
为了差异于天然橡胶，统一将用化学方法人工合成的橡胶称为合成橡胶，能够有效填补天然橡胶产量不敷的问题，合成橡胶一样平常在性能上不如天然橡胶全面，但它具有高弹性、绝缘性、气密性、耐油、耐高温或低温等性能，因而广泛运用于工农业、国防、交通及日常生活中。

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浸染的部分，在打印完成后，支撑材料须要进行剥离，因此也哀求其具有一定的性能，目前采取的支撑材料一样平常为水溶性材料，即在水中能够溶解，方便剥离。
详细特性哀求如下表：

FDM技能对支撑材料的哀求性能详细哀求缘故原由耐温性耐高温由于支撑材料要与成型材料在支撑面上打仗，以是支撑材料必须能够承受成型材料的高温，在此温度下不产生分解与融化。
与成型材料的亲和性与成型材料不浸润支撑材料是加工中采纳的赞助手段，在加工完毕后必须除掉，以是支撑材料与成型材料的亲和性不应太好。
溶解性具有水溶性或者酸溶性对付具有很繁芜的内腔、孔隙等原型，为了便于后处理，可通过支撑材料在某种液体里溶解而去支撑。
由于现在FDM利用的成型材料一样平常是ABS工程塑料，该材料一样平常可以溶解在有机溶剂中，以是不能利用有机溶剂。
目前，已开拓出水溶性支撑材料。
熔融温度低具有较低的熔融温度可以使材料在较低的温度挤出，提高喷头的利用寿命。
流动性高由于支撑材料的成型精度哀求不高，为了提高机器的扫描速率，哀求支撑材料具有很好的流动性，相对而言，对付粘性可以差一些。

总结起来，FDM对支撑材料的详细哀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。

三、FDM技能的运用

根据国际3D打印巨子，同时也是FDM发明者的Stratasys公司资料显示，FDM运用领域包括观点建模、功能性原型制作、制造加工、终极用场零件制造、修整等方面，涉及汽车、医疗、建筑、娱乐、电子、教诲等领域。

1、观点建模

观点建模的运用紧张涉及建筑模型、人体工程学研究、市场营销和设计方面。

3D打印建筑模型

建筑建模。
打算机仿照在工程设计和建筑领域已经运用了很长一段韶光。
但是，建筑可视化的传统做法是利用木材或泡沫板制作建筑的等比例模型。
这使得建筑师可以看到建筑在实际空间中如何矗立，以及是否存在任何可以改正的问题。
而3D打印结合了打算机仿照的精确性和等比例模型的真实性，能够有效降落设计本钱和开拓韶光，同时通过等比例的模型可以对建筑进行改良，增加安全性和合理性。

3D打印符合人体工程学的键盘

人体工程学设计。
精确的人体工程学设计对预防受伤以及加强事情效率必不可少。
3D打印的模型许可在开拓流程期间就对人体工程学性能进行精确地测试。
通过3D打印技能，设计职员可以创作出逼真的模型，再现产品每个单独部件的物理特性。
在多次测试周期期间可以对材料进行修正，从而实现在将产品全面投入生产前对其人体工程学方面进行优化。

3D打印奥斯卡小金人

市场营销和设计。
利用FDM技能构建的模型可以进行打磨、上漆、乃至镀铬，从而达到与新产品终极外不雅观同等的目的。
FDM利用生产级的热塑塑料，因此模型可以得到与终极产品一样的耐用性和利用感想熏染。

2、功能性原型制作

在产品设计初期，可以利用FDM技能快速得到产品原型，而通过FDM技能得到的原型本身具有耐高温、耐化学堕落等性能，能够通过原型进行各种性能测试，以改进终极的产品设计参数，大大缩短了产品从设计莅临盆的韶光。

3、制造加工

由于FDM技能可以采取高性能的生产级别材料，可以在很短的韶光内制造标准工具，并可进行小批量生产，通过小批量生产可以利用与终极产品相同的流程和材料来创建原型，并在等待终极模具从车间发往各地的同时，即可将新产品上市。

4、终极用场零件

FDM技能可制造业界最为耐用、稳定、可重复利用的部件。
其精度可媲美注塑成形，且能利用多种热塑性材料，通过FDM技能，制造商可以捉住更多小批量制造、定制终极用场零件和工厂自动化的机会。

5、FDM运用案例

丰田公司利用FDM技能制作母模

丰田公司采取FDM工艺制作右侧镜支架和四个门把手的母模，通过快速模具技能制作产品而取代传统的CNC制模办法，使得2000 Avalon车型的制造本钱显著降落，右侧镜支架模具本钱降落20万美元，四个门把手模具本钱降落30万美元。
FDM工艺已经为丰田公司在轿车制造方面节省了200万美元。

美国Mizunos公司利用FDM技能制造新产品母模

Mizuno是天下上最大的综合性体育用品制造公司，公司操持开拓一套新的高尔夫球杆，常日须要13个月的韶光。
FDM的运用大大缩短了这个过程，设计出的新高尔夫球头用FDM制作后，可以迅速地得到反馈见地并进行修正，大大加快了造型阶段的设计验证，一旦设计定型，FDM末了制造出的ABS原型就可以作为加工基准在CNC机床上进行钢制母模的加工。
新的高尔夫球杆全体开拓周期在7个月内就全部完成，缩短了40%的韶光。
目前，FDM快速原型技能已成为Mizuno美国公司在产品开拓过程中起决定性浸染的组成部分。

FDM技能在福特汽车公司中的运用

福特车门衬板

福特公司常年须要部件的衬板，当部件从一厂到另一厂的运输过程中，衬板用于支撑、缓冲和防护。
衬板的前表面根据部件的几何形状而改变。
福特公司一年间要采取一系列的衬板，一样平常地，每种衬板改型要花费成千万美元和12周韶光制作必需的模具。
新衬板的注塑消逝模被联合公司选作生产部后，部件的蜡靠模采取FDM制作，制作周期仅3天。
其间，必须小心的考验蜡靠模的尺寸，测出模具紧缩趋向。
紧接着从铸造石蜡模翻出A2钢模，该处理过程将花费一周韶光。
模具接着车削外表面，划上修正线和水平线以便机器加工。
该模具在模具后部设计成中空区，以减少用钢量，中空区填入化学粘结瓷。
仅花5周韶光和一半的原来本钱，而且制作的模具至少可生产3万套衬板。
采取FDM工艺后，福特汽车公司大大缩短了运输部件衬板的制作周期，并显著降落了制作本钱。

四、FDM技能优缺陷

与其他3D打印技能路径比较，FDM具有本钱低、质料广泛等优点，同样存在成型精度低、支撑材料难以剥离等特点，下面做简要剖析。

FDM技能的优缺陷

1、具有的优点

本钱低。
FDM技能不采取激光器，设备运营掩护本钱较低，而其成型材料 也多为 ABS、PC 等产用工程塑料，本钱同样较低，因此目前桌面级3D打印机多采取FDM技能路径。

成型材料范围较广。
通过上述剖析我们知道，ABS、PLA、PC、PP 等热塑性材料均可作为FDM路径的成型材料，这些都是常见的工程塑料，易于取得，且本钱较低。

环境污染较小。
在全体过程中只涉及热塑材料的熔融和凝固，且在较为封闭的3D打印室内进行，且不涉及高温、高压，没有有毒有害物质排放，因此，环境友好程度较高。

设备、材料体积较小。
采取FDM路径的3D打印机设备体积较小，而耗材也是成卷的丝材，便于搬运，适宜于办公室、家庭等环境。

质料利用率高。
没有利用或者利用过程中废弃的成型材料和支撑材料可以进行回收，加工再利用，能够有效提高质料的利用效率。

后处理相对大略。
目前采取的支撑材料多为水溶性材料，剥离较为大略，而其他技能路径后处理每每还须要进行固化处理，须要其他赞助设备，FDM则不须要。

2、存在的缺陷

成型韶光较长。
由于喷头运动是机器运动，成型过程中速率受到一定的限定，因此一样平常成型韶光较长，不适于制造大型部件。

须要支撑材料。
在成型过程中须要加入支撑材料，在打印完成后要进行剥离，对付一些繁芜构件来说，剥离存在一定的困难。
其余，随着技能的进步，一些采取3D打印厂家已经推出了不须要支撑材料的机型，该缺陷正在被逐步战胜。

3、与其他3D打印技能的比拟

FDM技能更适宜于对精度哀求不高的桌面级3D打印机

与SLA、LOM、SLS 等成熟3D打印技能比较，FDM具有自己的特点，总体来说，FDM技能适宜于对精度哀求不高的桌面级3D打印机，易于推广，市场空间也较大。

总结与展望

由于在加工过程中不涉及激光技能，整体设备体积较小，耗材获取较为随意马虎，打印本钱也相对较低，因此FDM技能路径是面向个人的3D打印机的首选技能，通过采取FDM技能的3D打印机，设计职员可以在很短的韶光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，与传统的打算机建模比较，能够真实的将实物展现在设计职员的面前。
同时FDM技能也可以在各种文娱创意领域中广泛运用，能够知足人们对一些产品的个性化定制服务，随着公民生活水平的提高，这种需求将不断增加。
同时由于FDM技能专利已经到期，其大面积推广已经不存在障碍，因此我们估量采取FDM技能路径的3D打印机，特殊是桌面级3D打印机的市场空间将急剧增加。
（数据来源：华融证券）