[科普中国]-熔融沉积成型

熔融沉积成型是指由美国学者 Dr. Scott Crump 于 1988 年研制成功的工艺。它是一种不使用激光器加工的方法。其原理：喷头在计算机控制下作 x-y 联动及 z 向运动，丝材在喷头中被加热到温度略高于其熔点，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。1

简介熔融沉积成型，(Fused deposition modeling, FDM)，是一种将各种热熔性的丝状材料（蜡、ABS和尼龙等）加热熔化成形的方法，是3D打印技术的一种。 又可被称为FFM 熔丝成型 (Fused Filament Modeling) 或FFF 熔丝制造 (Fused Filament Fabrication)，其后两个不同名词主要只是为了避开前者FDM专利问题，然而核心技术原理与应用其实均是相同的。热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型的部分温度稍低于固化温度。热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一个层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体零件1。

先用CAD软件建构出物体的3D立体模型图，将物体模型图输入到FDM的装置。FDM装置的喷嘴就会根据模型图，一层一层移动，同时FDM装置的加热头会注入热塑性材料(ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)树脂、聚碳酸脂、PPSF(聚苯砜)树酯、聚乳酸和聚醚酰亚胺等)。材料被加热到半液体状态后，在电脑的控制下，FDM装置的喷嘴就会沿着模型图的表面移动，将热塑性材料挤压出来，在该层中凝固形成轮廓。FDM 装置会使用两种材料来执行打印的工作，分别是用于构成成品的建模材料和用作支架的支撑材料，透过喷嘴垂直升降，材料层层堆积凝固后，就能由下而上形成一个3D打印模型的实体。打印完成的实体，就能开始最后的步骤，剥除固定在零件或模型外部的支撑材料或用特殊溶液将其溶解，即可使用该零件了。

原理及优点FDM 工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在 PLC 控制下逐层堆积成型。熔融沉积成型工艺原理，如图 1 所示。成型材料和支撑材料由供丝机构送至各自对应的喷头，并在喷头中加热至熔融态。加热喷头在控制系统指令下沿着零件截面轮廓和内部轨迹运动，同时将半流动状态的热熔材料挤出，粘稠状的成型材料和支撑材料被选择性地涂覆在工作台上，迅速固化后形成截面轮廓。当前层成型后，喷头上升特定高度再进行下一层的涂覆，层层堆积形成三维产品。

熔融沉积快速成型技术已经基本成熟，大多数 FDM 设备具备以下特点：（1）设备以数控方式工作，刚性好，运行平稳；（2）X、Y 轴采用精密伺服电机驱动，精密滚珠丝杠传动；（3）实体内部以网格路径填充，使原型表面质量更高；（4）可以对 STL 格式文件实现自动检验和修补；（5）丝材宽度自动补偿，保证零件精度；（6）挤压喷射喷头无流涎、高响应；（7）精密微泵增压系统控制的远程送丝机构，确保送丝过程持续和稳定2。

熔融沉积成型技术不采用激光，因而这种仪器的使用、维护比较便捷，成本不高。用蜡成型的零件模型，能够用于失蜡铸造；利用 PLA、ABS 成型的模型具有较高的强度，可以直接用于产品的测试和评估等。近年来又开发出 PPSF、PC等高强度的材料，可以利用上述材料制造出功能性零件或产品。鉴于 FDM 技术的很多优点，所以该技术在取得了快速发展。

由于采用熔融沉积成型工艺的成型件是利用熔融状态下的丝材在工作空间中层层堆积而成，因此在构建模型时，通常需要设计辅助支撑结构。美国 Stratasys 公司随机附有产生支撑结构的切片软件，而且可以把水溶性丝材当作支撑结构的材料，当模型加工完毕后，只需要通过水洗处理，就可以快速便捷的去掉支撑结构，这在很大程度上简化了熔融沉积成型技术的后处理过程，优化了制件的表面精度。

熔融沉积成型技术所用的成型材料一般为热塑性材料，常见的有 PLA、ABS、尼龙等。其工艺原理是成型材料和支撑材料通过送丝机构送进相应的喷嘴，在喷嘴内被加热至熔融状态，喷嘴通过成型系统的控制，根据提前设定的轮廓信息和填充轨迹做平面运动，而且经由喷嘴挤出的材料均匀地平铺在每一层截面轮廓上，此时被挤出的丝材在短时间内快速冷却，并和上一层固化的材料粘连在一起，层层堆积，最终生成所需的实体零件。

快速成型技术快速成型技术是利用三维建模软件快速生成模型和实体零件的技术总称。它是一种新颖的零件制造方式，应用层层堆积、增材制造的手段生产加工零件。3D打印与传统的铸造、机械加工等方法相比，更容易适应产品设计的变化，缩短了产品开发周期。依靠此技术可以生成非常复杂的实体，而且成型的过程中无需模具的辅助。快速成型技术涉及到 CAD 技术、材料科学、数控技术、电子技术、机械工程和激光技术等多种领域，是实现产品从二维模型转换为三维实体的一种制造方式。快速成型技术有很多种成熟的工艺方法，如熔融沉积成型制造工艺、光固化快速成型工艺、激光烧结工艺、叠层实体制造工艺。

快速成型技术是由计算机利用三维建模软件构建三维模型，随后依据工艺规划，将建立的模型分散成一系列有序的二维单元，一般在 Z 向根据厚度要求首先进行分层，把三维模型分离成一系列的二维切片，然后根据每一层的轮廓信息，输入设计的加工参数，生成加工程序，最后经由快速成型系统将零件自动成型，从而得到一个三维物理模型。

优势及不足熔融沉积成型技术之所以能够得到广泛应用，主要是由于其具有其他快速成型工艺所不具备的优势，具体表现为以下几方面：

成型材料广泛熔融沉积成型技术所应用的材料种类很多，主要有PLA、ABS、尼龙、石蜡、铸蜡、人造橡胶等熔点较低的材料，及低熔点金属、陶瓷等丝材，这可以用来制作金属材料的模型件或 PLA 塑料、尼龙等零部件和产品。

成本相对较低，因为熔融沉积成型技术不使用激光，与其他使用激光器的快速成型技术相比较而言，它的制作成本很低；除此之外，其原材料利用率很高并且几乎不产生任何污染，而且在成型过程中没有化学变化的发生，在很大程度上降低了成型成本。

后处理过程比较简单，熔融沉积成型技术所采用的支撑结构很容易去除，尤其是模型的变形比较微小，原型制件的支撑结构只需要经过简单的剥离就能直接使用。出现的水溶性支撑材料使支撑结构更易剥离。

此外，熔融沉积成型技术还有以下优点：用石蜡成型的制件，能够快速直接地用于失蜡铸造；能制造任意复杂外形曲面的模型件；可直接制作彩色的模型制件。当然，和其他快速成型工艺相比较而言，熔融沉积成型技术在以下方面还存在一定的不足：

只适用于中小型模型件的制作

成型零件的表面条纹比较明显

厚度方向的结构强度比较薄弱，因为挤出的丝材是在熔融状态下进行层层堆积，而相邻截面轮廓层之间的粘结力是有限的，所以成型制件在厚度方向上的结构强度较弱。

成型速度慢、成型效率低

在成型加工前，由于熔融沉积成型技术需要设计并制作支撑结构，同时在加工的过程中，需要对整个轮廓的截面进行扫描和堆积，因此需要较长的成型时间。熔融沉积成型工艺包括前处理、成型加工过程和后处理三个部分，前处理主要包括零件的三维建模、模型切片处理、切片文件的校验与修复、模型摆放位置的确定以及加工参数的确定；成型加工过程是指零件被加工制造的阶段；后处理是指零件加工完成后，为了满足使用工况需求，对其表面和支撑结构进行修复处理的过程3。

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学