1.4 FDM基本原理及特点《增材制造技术》教学课件

3D打印认知与实践1.4FDM基本原理及特点FDM基本原理FDM的特点12目录CONTENTS01FDM基本原理FDM基本原理

熔融沉积成形（Fused

Deposition

Modeling),又称熔丝沉积成形，简称FDM成形。FDM方法成形过程如图所示，一般为热熔性塑料制成的丝状材料材，被加热到200°C左右显熔融状态，然后通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来；喷出的热熔材料前一层已固化的材料上

，温度低于固化温度后开始粘接固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。FDM成形工艺由美国学者

ScotC博士于1988年提出，1993年由美国Stratasys公司推出了第一代的FDM工业设备,是迄今为止使用最为广泛的3D打印工艺。1.FDM是什么FDM基本原理

现实生活我们经常有制作单个及小批量零件的需求，常见的场景包括：1）工业产品设计初期，设计方案需要制造实物并反复修改；2）个人DIY；3）小朋友及学生的动手创造；4）设备零件损害，急需部件。传统的单个及小批量零件生产对个人的动手能力要求很高，制造材料也仅限于木头、塑性泥等简单材料；生产的零件往往比较粗糙，生产时间也较长。传统手工制作FDM基本原理

FDM技术是目前应用最为广泛的3D打印技术，也是迄今为止最容易获取的3D打印工艺。FDM3D打印技术根据数字模形预设的轨迹，自下而上逐层构建出具有复杂结构、优秀的机械性能的塑料零件，让我们头脑中的想法转变为真实的零件，让我们的梦想更加接近现实，而这一切在我们自己的房间就可以完成。3D打印笔桌面级工业级

所有3D打印技术（增材制造）的基本原理都是将三维实体转化为二维平面后层层堆积形成最终的零件，采用不同原材料（金属、塑料、沙子、石膏）、不同材料的形式（丝材、粉材、板材、液态材料等）以及不同的材料结合方式（激光烧结、粘接、焊接）构成了各种各样不同的3D打印方法。

FDM成形原理是：丝状低熔点材料在加热熔化后由喷头挤出，挤出后的材料与已凝固的材料粘接后形成片状材料，片状材料层层堆叠最终形成零件。

加热喷头在计算机的控制下，可根据截面轮廓的信息，作X-Y平面运动和高度Z方向的运动。丝状热塑性材料（如ABS及MABS塑料丝、蜡丝、聚烯烃树脂、尼龙丝、聚酰胺丝）由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热至熔融态，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓。一层截面完成后，喷头上升一截面层的高度，再进行下一层的涂覆。如此循环，最终形成三维产品。未经后处理的FDM成形零件表面有明显的成形纹路，根据纹路的方向，我们可以清楚的零件零件的成形方向。2.FDM成形原理FDM基本原理图9成形纹路FDM基本原理所有的3D打印成形过程都如下图所示：FDM基本原理3.FDM设备工作原理及成形过程（1）FDM设备工作原理

将实心丝状原材料缠绕在供料辊上，由电动机驱动辊子旋转，辊子和丝材之间的摩擦力使丝材向喷头的出口送进。在供料辊和喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦材料制成，以便丝材能顺利、准确地由供料辊送到喷头的内腔（最大送料速度为10~25mm/s,推荐速度为5~18mm/s)。

喷头的前端有电阻式加热器，在其作用下，丝材被加热熔融，然后通过出口，涂覆至工作台上，并在冷后形成截面轮廓。由于受结构的限制，加热器的功率不可能太大，因此，丝材熔融沉积的层厚随喷头的运动速度而变化，通常最大层厚为0.15~0.25mm。FDM基本原理3.FDM设备工作原理及成形过程（1）FDM设备工作原理FDM基本原理3.FDM设备工作原理及成形过程（2）FDM成形零件展示FDM成形零件展示（桌面级）FDM基本原理3.FDM设备工作原理及成形过程（2）FDM成形零件展示FDM成形零件展示（工业级）FDM基本原理4.典型应用（1）典型应用1：备品备件快速生产

东方航空的技术公司早已经利用FDM3D打印技术来进行飞机客舱内的配件维修和更换，所使用的材料零件装配在飞机客舱内，实现了飞机上标准零件的快速制造和定制化零件的设计、开发ULTEM9085是一种通过美国联邦航空管理局认证的材料，具有很好的强重比和阻燃性截止到2017年，东方航空技术有限公司增材制造实验室开发出客舱零件30多种，共生产了500多件成品、生产，解决了过去易损零件订货周期长订货成本高的问题。（图片来源于网络）FDM基本原理4.典型应用（2）典型应用2：工装夹具快速制造

汽车工业的规模和产值在制造业占有极为重要的位置，汽车的生产制造也正在经历着诸多变革。在生产线上，优化部门既要保证生产不停，又要完成对工装夹具的优化和试装，相信不少车厂都会遇到同类的问题。

FDM基本原理4.典型应用（2）典型应用2：工装夹具快速制造

北京奔驰在用FDM技术3D打印机进行工装夹具和量具的设计优化，而通用汽车已使用3D打印用于产品开发三十多年，并且在过去的十年中，使用3D打印技术生产了超过250000个零部件。北京奔驰的工具车间打印的一个量具模型FDM基本原理4.典型应用（3）典型应用3：创新研发快速制造

FDM技术可以将CAD的设计构想快速、精确、而又经济地生成可触摸的物理实体，比将三维的几何造型展示于二维的屏幕或图纸上具有更高的直观性和启示性。设计人员可以更快，更易地发现设计中的错误。更重要的是，对成品而言，设计人员可及时体验其新设计产品的使用舒适性和美学品质。FDM生成的模型也是设计部门与非技术部门交流的更好中介物。(图片来源于易生）

FDM基本原理4.典型应用（4）典型应用4：手术模型、导板

利用3D打印机打印出来的医学实体模型使用十分广泛，主要表现在:①从二维CT图形到三维实体模型，可以直观地呈现出病变部位，有助于进行手术分析、术前规划及医患交流。②模拟手术过程。例如骨骼骨折手术中对受损骨骼的校正，利用三维模型可以模拟手术过程，确定最佳治疗方案。③假体植入设计。（图片来源于网络）02FDM的特点FDM的特点1.熔融沉积成形（FDM）的优点

FDM不使用激光，维护简单，成本低：价格是成型工艺是否适于三维打印的一个重要因素。多用于概念设计的三维打印机对原型精度和物理化学特性要求不高，便宜的价格是其能否推广开来的决定性因素。（图片来源于创想三维）（1）设备价格低廉FDM的特点

与其他使用粉末和液态材料的工艺相比，丝材更干净，易于更换、保存，不会形成粉末或液体污染。

可选用多种材料、多种颜色，如可染色的ABS和医用ABS、PC、PPSF等。（图片来源于网络）（2）材料成熟，无毒FDM的特点（3）后处理简单

仅需要几分钟到一刻钟的时间，剥离支撑后原型即可使用。（图片来源于创想三维）FDM的特点

FDM技术的优势在于制造简单，成本低廉，但是桌面级的FDM打印机，由于出料结构简单，难以精确控制出料形态与成型效果，同时温度对于FDM成型效果影响非常大，而桌面级FDM3D打印机通常都缺乏恒温设备，因此基于FDM的桌面级3D打印机的成品精度通常为0.3mm-0.2mm，少数高端机型能够支持0.1mm层厚，但是受温度影响非常大，成品效果依然不够稳定。此外，大部分FDM机型制作的产品边缘都有分层沉积产生的“台阶效应”，较难达到所见即所得的3D打印效果，所以在对精度要求较高的快速成型领域较少采用FDM。（图片来源于创想三维）

FDM的特点2.熔融沉积成形（FDM）的缺点

这是FDM型3D打印机的主要限制因素，但是，由于成型精度和打印效率呈反比关系，即高速打印获得低精度产品，低速打印获得高精度产品，一味地追求高精度将使打印速度大幅度降低，这并不是工业领域所希望的。因此，要解决精度低与速度慢的问题，必须要使两者均得到足够的关注，此时，我们可以使新技术兼容和继承老技术，即增材制造结合切削减材制造技术，具体来说，就是把传统切削加工应用到3D打印成型过程中，采用低精度的打印工艺，保证成型速度，然后用去除材料的措施来保证成型精度。（图片来源于创想三维）（1）成型精度低与打印速度慢FDM的特点

虽然采用FDM

技术的3D打印机操作相对简单，但在成型过程中，仍会出现问题，这就需要有丰富经验的技术人员操作机器，以随时观察成型状态，因为当成型过程中出现异常时，现有系统无法进行识别，也不能自动调整，如果不去人工干预，将造成无法继续打印或将缺陷留在工件里，这一操作上的限制将影响3D打印的普及性。因此，3D打印机智能化非常重要，“智能识别和反馈功能”将是目前3D打印系统迫切需要的，可以通过软件的开发让3D打印机具备自学习功能，最终实现3D打印机向“3D打印机器人”的转变。（图片来源于创想三维）（2）控制系统智能化水平低FDM的特点

目前在打印材料方面存在很多缺陷，根据前文有关材料的介绍，可以看出材料种类和环保性方面存在的问题正在逐步解决，但是，仍有许多方面有待进一步改进，比如FDM用打印材料易受潮、成型过程中和成型后存在一定的收缩率等。打印材料受潮，将影响熔融后挤出的顺畅性，易导致喷头堵塞，不利于工件的成型，因此，用于FDM的打印材料要密封储存，使用时要进行适当的烘干处理；塑性材料在熔融后凝固的过程中，均存在收缩性，这会造成的问题主要是打印过程中工件的翘曲或脱落和打印完成后工件的变形，影响加工精度，浪费打印材料，改进办法主要是选用收缩率低的材料、采用恒温舱等。（图片来源于创想三维）（3）打印材料限制性较大FDM的特点3.总结

由于在加工过程中不涉及激光技术，整体设备体积较小，耗材获取较为容易，打印成本也相对较低，因此FDM技术路径是面向个人的3D打印机的首选技术，通过采用FDM技术的3D打印机，设计人员可以在很短的时间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，与传统的计算机建模相比，能够真实的将实物展现在设计