告別神秘感 揭秘3D列印技術之FDM原理

1什麼是3D列印技術之FDM

    【中關村在線3D列印頻道原創】在尚未見到3D印表機之前，想必您同我一樣想一睹3D印表機的「芳容」，瀏覽關於3D印表機的論壇、貼吧甚至在百度搜索框中輸入「3D印表機」一探3D印表機的究竟。一個個「栩栩如生」的3D列印作品映入眼帘，心裡對3D列印產生著這樣或那樣的疑惑。3D列印的模型究竟如何出爐？事實上，3D列印的學名為增材製造技術，相比傳統減材製造技術，增材製造技術是將模型一層層列印出來。就3D列印成型工藝而言五花八門，諸如：FDM、SLA、SLS、SLM、DLP、3DP等，這些成型技術原理不一、各有特色，但無不呈現同一特性，那就是增材製造。之前筆者在《領銜高新技術 國產桌面SLA 3D印表機》系統解析過SLA技術的成型原理。今天，筆者將解開FDM技術成型原理的面紗。

告別神秘感 揭秘3D列印技術之FDM原理

●什麼是3D列印技術之FDM

    或許你曾糾結於諸如形象各異的小裝飾品究竟如何出爐，或許你曾苦思憫想搞懂3D列印技術的成型原理。究竟這些精美的列印品如何通過3D列印出現在人們面前？

精美的3D列印成品

    今天我們來揭示作為3D列印成型技術之一的熔融沉積成型技術（FDM）。FDM是「Fused Deposition Modeling」的簡寫形式，即為熔融沉積成型。搞懂FDM成型技術，首先我們需要轉變思維。通常2D列印是在一張紙上（一個平面上）完成列印，而3D列印是完成一個立體模型的列印。FDM，通俗來講就是利用高溫將材料融化成液態，通過列印頭擠出後固化，最後在立體空間上排列形成立體實物。

平面數軸（左）立體數軸（右），3D列印是完成立體模型的列印工作

    FDM是目前3D印表機使用較廣的技術，同時FDM成型技術已被Stratasys公司註冊專利。基於FDM成型技術的機型在中國甚至世界3D印表機市場佔有較大的比例。較為著名的FDM 3D印表機有MakerBot Replicator系列、3D Systems的Cube系列、太爾時代UP！系列、弘瑞3D印表機等。

FDM 3D印表機

    當然作為成型技術的FDM同其它成型技術相比有其固有的優缺點。優點：成型精度高、列印模型硬度好、多種顏色。缺點：成型物體表面粗糙。

    當我們了解FDM 3D列印技術的時候，我們便不會再雲裡霧裡了。其實，FDM成型技術較為簡單，只要我們仔細想像一下便會明白其中的內涵。那麼，一件件精緻美觀的3D列印品需要經過哪些步驟出爐的？下一頁，我們將了解3D列印的成型過程。

2FDM 3D列印技術來源及工藝

●FDM歷史來源及成型過程

    先從熔融沉積成型技術的歷史來源說起。FDM技術出現在二十世紀八十年代末期。1988年，科特克魯姆普發明了FDM（熔融沉積成型技術），次年科特克魯姆普成立了Stratasys公司。1992年，第一臺基於熔融沉積成型技術的3D列印產品出售。FDM成型技術已被Stratasys公司註冊專利。

    FDM成型原理相對簡單，列印之前FDM 3D印表機內置軟體自動讀取3D模型數據並將其分層。分層之後，經過高溫熔化的液態通過列印頭擠出，擠出後遇冷迅速凝結固化，然後通過列印頭在平面上的擺動以及列印板向下位移形成立體實物。

FDM成型原理，列印頭實現一個平面上的移動，列印平臺上下移動實現分層

    3D列印需要經過3D掃描、3D建模的過程，最終完成3D列印成品。當然，基於FDM成型技術的3D印表機也不例外。除去3D掃描、3D建模過程，就3D列印本身而言，FDM成型技術一般經過以下環節。首先FDM軟體對3D模型數據進行分析、分層，生成列印路徑以及支撐路徑。其次，列印頭和列印平臺會升至3D模型設置的溫度。

列印頭（左上）列印平臺（下方），列印開始後列印平臺從上向下運動

    最後，列印過程中，列印頭在平面上的位移以及列印平臺上下位移會形成一個三維空間，列印頭和列印平臺根據生成的路徑進行列印。在列印過程中，列印頭完成一個平面上的列印任務後，列印平臺自動下降一層，列印頭繼續列印。循環往復直至成品的完成。

列印頭，列印時熱熔的液體會從中間細小的孔徑擠出

FDM 3D印表機列印過程，當列印頭完成一個層面上的列印後，列印平臺自動向下降，直到成品的完成

    在列印過程中，插入列印頭的線材會迅速融化，通過列印頭擠出瞬間凝結。列印頭溫度較高，根據材料的不同以及模型設計溫度的不同，列印頭的溫度相對也不同。為了防止列印物體翹邊等問題的出現列印平臺一般為加熱，列印平臺上一般覆蓋粘貼紙以便於列印成品的剝離。

3FDM 3D印表機的線材及應用

●FDM 3D印表機的線材及應用領域

    線材是流淌在FDM 3D印表機體內的血液，3D列印成品是線材熱熔後的分層疊加。基於FDM成型技術的線材種類較多，常見的為ABS、PLA等。

紅色的線材，線材可在顏色上進行分類

    隨著3D列印成品增多以及3D列印技術的進步，耗材商以及3D印表機製造商不斷開拓可用作3D列印的線材。9月，一款類似金屬效果的3D列印耗材copperFill推出。10月，一款硬度比之前線材較高的PLA HS線材誕生。可用作3D列印的材料不斷推陳出新，有些是在原有線材加入各種配料，製作出的線材具備新的屬性，有些則是開發出的新材質的線材。

copperFill線材，列印出來的效果類金屬 圖源：colorfabb.com

    FDM成型技術的線材有很多，例如：ABS、PLA、尼龍、木質，甚至食物。隨著時間的推移，越來越多的3D印表機生產廠家開始投身線材製作。相比通用線材製造商，3D印表機生產廠家推出的線材更加適用於該廠家生產的3D印表機。大部分線材在直徑上有1.75mm、3.0mm兩種規格。

將線材頭插進列印頭中，線材可有不同顏色以及不同直徑

註：線材頭插入列印頭時，可通過點擊「一鍵進料」使線材固定牢靠。

    FDM較傳統製作方法有其獨特的優勢。首先，可製造較為精細的機械零部件。其次，量產的列印物品可在一定程度上降低生產成本。受價格越來越低、列印成本越來越低、操作越來越簡單等因素，基於FDM成型技術的3D印表機越來越被消費者所接受。目前，3D列印技術應用領域較多，醫療、建築、運輸、航天、考古、教育以及工業製造等領域都有涉及。

娛樂

跳棋

●由於應用領域較廣，筆者在這裡不一一列舉，具體應用領域將在下一頁以圖示的形式展現

寫在後面的話：FDM即為熔融沉積成型是3D列印技術的一種，其在3D列印領域有著至關重要的地位。FDM成型技術主要依靠列印頭和列印平臺的移動實現三維立體模型的構建。在整個3D列印過程中，線材扮演著至關重要的地位，是整個列印模型的構成物質。關於應用，FDM 3D印表機應用領域較廣而且其在不斷突破自身的限制，在更多、更廣的領域內實現著更多的可能性。

4FDM 3D列印技術應用領域圖賞

●FDM 3D印表機應用領域圖賞

家居用品

盒子（左），涼亭樣式的燈（中），茶壺（右）

娛樂

哨子，根據列印材料顏色的不同哨子的顏色也不一

交通

3D列印汽車Strati，相當拉風 圖源：3dprint

醫療

3D列印下頜骨 圖源：xilongtoy.com

    FDM 3D印表機有很廣泛的應用領域，創造了很多和生活十分接近的3D列印品，同樣3D列印技術也被用於航空航天領域、衛星製造等多種領域。