1.4 FDM基本原理及特點《增材制造技術(shù)》教學(xué)課件

3D打印認(rèn)知與實踐1.4FDM基本原理及特點FDM基本原理FDM的特點12目錄CONTENTS01FDM基本原理FDM基本原理

熔融沉積成形（Fused

Deposition

Modeling),又稱熔絲沉積成形，簡稱FDM成形。FDM方法成形過程如圖所示，一般為熱熔性塑料制成的絲狀材料材，被加熱到200°C左右顯熔融狀態(tài)，然后通過帶有一個微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴出來；噴出的熱熔材料前一層已固化的材料上

，溫度低于固化溫度后開始粘接固化，通過材料的層層堆積形成最終成品。FDM成形工藝由美國學(xué)者

ScotC博士于1988年提出，1993年由美國Stratasys公司推出了第一代的FDM工業(yè)設(shè)備,是迄今為止使用最為廣泛的3D打印工藝。1.FDM是什么FDM基本原理

現(xiàn)實生活我們經(jīng)常有制作單個及小批量零件的需求，常見的場景包括：1）工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計初期，設(shè)計方案需要制造實物并反復(fù)修改；2）個人DIY；3）小朋友及學(xué)生的動手創(chuàng)造；4）設(shè)備零件損害，急需部件。傳統(tǒng)的單個及小批量零件生產(chǎn)對個人的動手能力要求很高，制造材料也僅限于木頭、塑性泥等簡單材料；生產(chǎn)的零件往往比較粗糙，生產(chǎn)時間也較長。傳統(tǒng)手工制作FDM基本原理

FDM技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的3D打印技術(shù)，也是迄今為止最容易獲取的3D打印工藝。FDM3D打印技術(shù)根據(jù)數(shù)字模形預(yù)設(shè)的軌跡，自下而上逐層構(gòu)建出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、優(yōu)秀的機械性能的塑料零件，讓我們頭腦中的想法轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸嵉牧慵?，讓我們的夢想更加接近現(xiàn)實，而這一切在我們自己的房間就可以完成。3D打印筆桌面級工業(yè)級

所有3D打印技術(shù)（增材制造）的基本原理都是將三維實體轉(zhuǎn)化為二維平面后層層堆積形成最終的零件，采用不同原材料（金屬、塑料、沙子、石膏）、不同材料的形式（絲材、粉材、板材、液態(tài)材料等）以及不同的材料結(jié)合方式（激光燒結(jié)、粘接、焊接）構(gòu)成了各種各樣不同的3D打印方法。

FDM成形原理是：絲狀低熔點材料在加熱熔化后由噴頭擠出，擠出后的材料與已凝固的材料粘接后形成片狀材料，片狀材料層層堆疊最終形成零件。

加熱噴頭在計算機的控制下，可根據(jù)截面輪廓的信息，作X-Y平面運動和高度Z方向的運動。絲狀熱塑性材料（如ABS及MABS塑料絲、蠟絲、聚烯烴樹脂、尼龍絲、聚酰胺絲）由供絲機構(gòu)送至噴頭，并在噴頭中加熱至熔融態(tài)，然后被選擇性地涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成截面輪廓。一層截面完成后，噴頭上升一截面層的高度，再進(jìn)行下一層的涂覆。如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。未經(jīng)后處理的FDM成形零件表面有明顯的成形紋路，根據(jù)紋路的方向，我們可以清楚的零件零件的成形方向。2.FDM成形原理FDM基本原理圖9成形紋路FDM基本原理所有的3D打印成形過程都如下圖所示：FDM基本原理3.FDM設(shè)備工作原理及成形過程（1）FDM設(shè)備工作原理

將實心絲狀原材料纏繞在供料輥上，由電動機驅(qū)動輥子旋轉(zhuǎn)，輥子和絲材之間的摩擦力使絲材向噴頭的出口送進(jìn)。在供料輥和噴頭之間有一導(dǎo)向套，導(dǎo)向套采用低摩擦材料制成，以便絲材能順利、準(zhǔn)確地由供料輥送到噴頭的內(nèi)腔（最大送料速度為10~25mm/s,推薦速度為5~18mm/s)。

噴頭的前端有電阻式加熱器，在其作用下，絲材被加熱熔融，然后通過出口，涂覆至工作臺上，并在冷后形成截面輪廓。由于受結(jié)構(gòu)的限制，加熱器的功率不可能太大，因此，絲材熔融沉積的層厚隨噴頭的運動速度而變化，通常最大層厚為0.15~0.25mm。FDM基本原理3.FDM設(shè)備工作原理及成形過程（1）FDM設(shè)備工作原理FDM基本原理3.FDM設(shè)備工作原理及成形過程（2）FDM成形零件展示FDM成形零件展示（桌面級）FDM基本原理3.FDM設(shè)備工作原理及成形過程（2）FDM成形零件展示FDM成形零件展示（工業(yè)級）FDM基本原理4.典型應(yīng)用（1）典型應(yīng)用1：備品備件快速生產(chǎn)

東方航空的技術(shù)公司早已經(jīng)利用FDM3D打印技術(shù)來進(jìn)行飛機客艙內(nèi)的配件維修和更換，所使用的材料零件裝配在飛機客艙內(nèi)，實現(xiàn)了飛機上標(biāo)準(zhǔn)零件的快速制造和定制化零件的設(shè)計、開發(fā)ULTEM9085是一種通過美國聯(lián)邦航空管理局認(rèn)證的材料，具有很好的強重比和阻燃性截止到2017年，東方航空技術(shù)有限公司增材制造實驗室開發(fā)出客艙零件30多種，共生產(chǎn)了500多件成品、生產(chǎn)，解決了過去易損零件訂貨周期長訂貨成本高的問題。（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）FDM基本原理4.典型應(yīng)用（2）典型應(yīng)用2：工裝夾具快速制造

汽車工業(yè)的規(guī)模和產(chǎn)值在制造業(yè)占有極為重要的位置，汽車的生產(chǎn)制造也正在經(jīng)歷著諸多變革。在生產(chǎn)線上，優(yōu)化部門既要保證生產(chǎn)不停，又要完成對工裝夾具的優(yōu)化和試裝，相信不少車廠都會遇到同類的問題。

FDM基本原理4.典型應(yīng)用（2）典型應(yīng)用2：工裝夾具快速制造

北京奔馳在用FDM技術(shù)3D打印機進(jìn)行工裝夾具和量具的設(shè)計優(yōu)化，而通用汽車已使用3D打印用于產(chǎn)品開發(fā)三十多年，并且在過去的十年中，使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)了超過250000個零部件。北京奔馳的工具車間打印的一個量具模型FDM基本原理4.典型應(yīng)用（3）典型應(yīng)用3：創(chuàng)新研發(fā)快速制造

FDM技術(shù)可以將CAD的設(shè)計構(gòu)想快速、精確、而又經(jīng)濟地生成可觸摸的物理實體，比將三維的幾何造型展示于二維的屏幕或圖紙上具有更高的直觀性和啟示性。設(shè)計人員可以更快，更易地發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的錯誤。更重要的是，對成品而言，設(shè)計人員可及時體驗其新設(shè)計產(chǎn)品的使用舒適性和美學(xué)品質(zhì)。FDM生成的模型也是設(shè)計部門與非技術(shù)部門交流的更好中介物。(圖片來源于易生）

FDM基本原理4.典型應(yīng)用（4）典型應(yīng)用4：手術(shù)模型、導(dǎo)板

利用3D打印機打印出來的醫(yī)學(xué)實體模型使用十分廣泛，主要表現(xiàn)在:①從二維CT圖形到三維實體模型，可以直觀地呈現(xiàn)出病變部位，有助于進(jìn)行手術(shù)分析、術(shù)前規(guī)劃及醫(yī)患交流。②模擬手術(shù)過程。例如骨骼骨折手術(shù)中對受損骨骼的校正，利用三維模型可以模擬手術(shù)過程，確定最佳治療方案。③假體植入設(shè)計。（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）02FDM的特點FDM的特點1.熔融沉積成形（FDM）的優(yōu)點

FDM不使用激光，維護(hù)簡單，成本低：價格是成型工藝是否適于三維打印的一個重要因素。多用于概念設(shè)計的三維打印機對原型精度和物理化學(xué)特性要求不高，便宜的價格是其能否推廣開來的決定性因素。（圖片來源于創(chuàng)想三維）（1）設(shè)備價格低廉FDM的特點

與其他使用粉末和液態(tài)材料的工藝相比，絲材更干凈，易于更換、保存，不會形成粉末或液體污染。

可選用多種材料、多種顏色，如可染色的ABS和醫(yī)用ABS、PC、PPSF等。（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）（2）材料成熟，無毒FDM的特點（3）后處理簡單

僅需要幾分鐘到一刻鐘的時間，剝離支撐后原型即可使用。（圖片來源于創(chuàng)想三維）FDM的特點

FDM技術(shù)的優(yōu)勢在于制造簡單，成本低廉，但是桌面級的FDM打印機，由于出料結(jié)構(gòu)簡單，難以精確控制出料形態(tài)與成型效果，同時溫度對于FDM成型效果影響非常大，而桌面級FDM3D打印機通常都缺乏恒溫設(shè)備，因此基于FDM的桌面級3D打印機的成品精度通常為0.3mm-0.2mm，少數(shù)高端機型能夠支持0.1mm層厚，但是受溫度影響非常大，成品效果依然不夠穩(wěn)定。此外，大部分FDM機型制作的產(chǎn)品邊緣都有分層沉積產(chǎn)生的“臺階效應(yīng)”，較難達(dá)到所見即所得的3D打印效果，所以在對精度要求較高的快速成型領(lǐng)域較少采用FDM。（圖片來源于創(chuàng)想三維）

FDM的特點2.熔融沉積成形（FDM）的缺點

這是FDM型3D打印機的主要限制因素，但是，由于成型精度和打印效率呈反比關(guān)系，即高速打印獲得低精度產(chǎn)品，低速打印獲得高精度產(chǎn)品，一味地追求高精度將使打印速度大幅度降低，這并不是工業(yè)領(lǐng)域所希望的。因此，要解決精度低與速度慢的問題，必須要使兩者均得到足夠的關(guān)注，此時，我們可以使新技術(shù)兼容和繼承老技術(shù)，即增材制造結(jié)合切削減材制造技術(shù)，具體來說，就是把傳統(tǒng)切削加工應(yīng)用到3D打印成型過程中，采用低精度的打印工藝，保證成型速度，然后用去除材料的措施來保證成型精度。（圖片來源于創(chuàng)想三維）（1）成型精度低與打印速度慢FDM的特點

雖然采用FDM

技術(shù)的3D打印機操作相對簡單，但在成型過程中，仍會出現(xiàn)問題，這就需要有豐富經(jīng)驗的技術(shù)人員操作機器，以隨時觀察成型狀態(tài)，因為當(dāng)成型過程中出現(xiàn)異常時，現(xiàn)有系統(tǒng)無法進(jìn)行識別，也不能自動調(diào)整，如果不去人工干預(yù)，將造成無法繼續(xù)打印或?qū)⑷毕萘粼诠ぜ?，這一操作上的限制將影響3D打印的普及性。因此，3D打印機智能化非常重要，“智能識別和反饋功能”將是目前3D打印系統(tǒng)迫切需要的，可以通過軟件的開發(fā)讓3D打印機具備自學(xué)習(xí)功能，最終實現(xiàn)3D打印機向“3D打印機器人”的轉(zhuǎn)變。（圖片來源于創(chuàng)想三維）（2）控制系統(tǒng)智能化水平低FDM的特點

目前在打印材料方面存在很多缺陷，根據(jù)前文有關(guān)材料的介紹，可以看出材料種類和環(huán)保性方面存在的問題正在逐步解決，但是，仍有許多方面有待進(jìn)一步改進(jìn)，比如FDM用打印材料易受潮、成型過程中和成型后存在一定的收縮率等。打印材料受潮，將影響熔融后擠出的順暢性，易導(dǎo)致噴頭堵塞，不利于工件的成型，因此，用于FDM的打印材料要密封儲存，使用時要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮娓商幚恚凰苄圆牧显谌廴诤竽痰倪^程中，均存在收縮性，這會造成的問題主要是打印過程中工件的翹曲或脫落和打印完成后工件的變形，影響加工精度，浪費打印材料，改進(jìn)辦法主要是選用收縮率低的材料、采用恒溫艙等。（圖片來源于創(chuàng)想三維）（3）打印材料限制性較大FDM的特點3.總結(jié)

由于在加工過程中不涉及激光技術(shù)，整體設(shè)備體積較小，耗材獲取較為容易，打印成本也相對較低，因此FDM技術(shù)路徑是面向個人的3D打印機的首選技術(shù)，通過采用FDM技術(shù)的3D打印機，設(shè)計人員可以在很短的時間內(nèi)設(shè)計并制作出產(chǎn)品原型，并通過實體對產(chǎn)品原型進(jìn)行改進(jìn)，與傳統(tǒng)的計算機建模相比，能夠真實的將實物展現(xiàn)在設(shè)計