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

　　在打印过程中，插入打印头的线材会迅速融化，通过打印头挤出瞬间凝结。打印头温度较高，根据材料的不同以及模型设计温度的不同，打印头的温度相对也不同。为了防止打印物体翘边等问题的出现打印平台一般为加热，打印平台上一般覆盖粘贴纸以便于打印成品的剥离。

　　●FDM 3D打印机的线材及应用领域

　　线材是流淌在FDM 3D打印机体内的血液，3D打印成品是线材热熔后的分层叠加。基于FDM成型技术的线材种类较多，常见的为ABS、PLA等。

　　

　　红色的线材，线材可在颜色上进行分类

　　随着3D打印成品增多以及3D打印技术的进步，耗材商以及3D打印机制造商不断开拓可用作3D打印的线材。9月，一款类似金属效果的3D打印耗材copperFill推出。10月，一款硬度比之前线材较高的PLA HS线材诞生。可用作3D打印的材料不断推陈出新，有些是在原有线材加入各种配料，制作出的线材具备新的属性，有些则是开发出的新材质的线材。

　　

　　copperFill线材，打印出来的效果类金属 图源：colorfabb.com

　　FDM成型技术的线材有很多，例如：ABS、PLA、尼龙、木质，甚至食物。随着时间的推移，越来越多的3D打印机生产厂家开始投身线材制作。相比通用线材制造商，3D打印机生产厂家推出的线材更加适用于该厂家生产的3D打印机。大部分线材在直径上有1.75mm、3.0mm两种规格。

　　

　　将线材头插进打印头中，线材可有不同颜色以及不同直径

　　注：线材头插入打印头时，可通过点击“一键进料”使线材固定牢靠。

　　FDM较传统制作方法有其独特的优势。首先，可制造较为精细的机械零部件。其次，量产的打印物品可在一定程度上降低生产成本。受价格越来越低、打印成本越来越低、操作越来越简单等因素，基于FDM成型技术的3D打印机越来越被消费者所接受。目前，3D打印技术应用领域较多，医疗、建筑、运输、航天、考古、教育以及工业制造等领域都有涉及。

　　娱乐

　　

　　跳棋

　　●由于应用领域较广，笔者在这里不一一列举，具体应用领域将在下一页以图示的形式展现

　　写在后面的话：FDM即为熔融沉积成型是3D打印技术的一种，其在3D打印领域有着至关重要的地位。FDM成型技术主要依靠打印头和打印平台的移动实现三维立体模型的构建。在整个3D打印过程中，线材扮演着至关重要的地位，是整个打印模型的构成物质。关于应用，FDM 3D打印机应用领域较广而且其在不断突破自身的限制，在更多、更广的领域内实现着更多的可能性。　　

　　●FDM 3D打印机应用领域图赏

　　家居用品

　　

　　盒子（左），凉亭样式的灯（中），茶壶（右）

　　娱乐

　　

　　哨子，根据打印材料颜色的不同哨子的颜色也不一

　　交通

　　

　　3D打印汽车Strati，相当拉风 图源：3dprint

　　医疗

　　

　　3D打印下颌骨 图源：xilongtoy.com

　　FDM 3D打印机有很广泛的应用领域，创造了很多和生活十分接近的3D打印品，同样3D打印技术也被用于航空航天领域、卫星制造等多种领域。

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