深入了解FDM熔融沉积成型技术

学习提要

理解FDM技术的成型原理；

了解FDM技术的工艺流程；

掌握FDM技术的常用材料及其特性；

了解FDM技术的优劣势，掌握其应用领域、适用范围。

学习内容

知识窗

目前，所有的3D打印技术都是以三维模型为基础，再利用计算机控制3D打印机，将三维模型按一定比例打印成实物。注意：不是所有三维模型都可以满足打印要求。

一、STL格式文件

3D打印行业普遍使用STL格式的三维模型。STL格式是一种由3D System软件公司创立的，并广泛用于快速成型、3D打印和计算机辅助制造（CAM）的文件格式。STL模型文件是由大量带矢量方向的三角面片组成，用有限数量的三角面片来拟合实体模型表面。它和缝足球的原理类似，只不过足球采用的是12块五边形和20块六边形，而STL文件是用三角形的面片来“缝合”模型，因此STL文件不是实体模型，而是空心的。3D格式文件的对比如图2-2所示。

图2-2　3D格式文件的对比

曲面越多、结构越复杂的模型，三角面片数量越多，文件也会越大，从而导致计算机运算量增加。此外，越光滑的模型，三角面片数量也会越多。可以通过调节输出模型的分辨率、粗糙度、公差等，选择合适的文件大小。

二、3D打印模型的要求

1.模型必须封闭

3D打印的模型必须是“不漏水”的。如果存在孔洞，就会“漏水”，无法打印。封闭模型与非封闭模型的对比如图2-3所示。

图2-3　封闭模型与非封闭模型的对比

2.模型需有厚度

现实中没有厚度的面和线是没办法制作出来的，3D打印的模型需有一定的厚度，并且最小厚度值不能低于3D打印机所能打印的最小壁厚。同时，还应考虑物体的强度，降低物体在运输和使用过程中损坏的概率。

3.最小细节

模型的最小细节不能小于3D打印机的分辨率，如挤出一条丝或者激光扫描一次的直径是0.8 mm，那么小于0.8 mm的结构或者壁厚将不能被打印出来。

4.模型必须是流形

简单来说，如果一个模型中存在多个面共享一条边，那么它就是非流形的，如图2-4所示。

图2-4　非流形模型

5.正确的法线方向

组成模型的所有三角面片是有矢量方向的平面，一面是正面（外表面），另一面是反面（内表面）。模型中所有面的法线需要指向一个正确的方向，如果面的方向错误，打印机就不能判断出是模型的内部还是外部，如图2-5所示。

图2-5　法线错误

6.装配间隙

对于需要装配的零件或者活动件，需要留有装配间隙。一般情况下，3D打印机打印的零件公差是随机的，既有可能是正公差，也有可能是负公差。因此需要预留一定的装配间隙，预留间隙值和各个打印机的精度有关，一般可预留0.2 mm装配间隙。

7.尽量减少支撑

大多数3D打印技术都需要添加支撑结构，但可以通过优化设计减少支撑，如利用好45°角原则（即打印平面与水平面倾角大于45°可不适用支撑结构），尽量用切斜设计的结构替代平行悬空的结构。

8.留足加工余量

由于部分零件对装配面、螺纹孔、平面度、粗糙度、精度等要求较高，当3D打印的精度不能满足要求时，需要留足加工余量，待3D打印完成后再进行机械加工，以满足其要求。

三、FDM技术概述

熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM），又称熔丝沉积成型技术。FDM是1988年由美国Stratasys公司创始人斯科特·克伦普（Scott Crump）发明的技术。随着关键技术专利到期，开源的FDM技术以其低门槛、低价格迅速占领了3D打印的个人消费市场，国内涌现了大量的相关企业。工业级FDM 3D打印市场由于技术门槛更高，目前仍然以国外设备为主。

四、FDM技术的成型原理

FDM技术的成型原理是由送丝辊轮将丝状材料送入热熔喷头，在喷头内加热熔化丝状材料后，在计算机控制下沿零件截面挤出丝材，挤出的材料经冷却、黏结、固化后形成一层截面，打印完一层后，工作平台下降一定高度（即层厚），再成型下一层，重复这个过程，层层堆积完成实体打印，如图2-6所示。

图2-6　FDM技术的成型原理

五、FDM技术的工艺流程

FDM技术的工艺流程大致可分为模型文件准备、模型修复、切片、打印、后处理5个阶段，如图2-7所示。

图2-7　FDM工艺流程

1.模型文件准备

（1）三维模型获取

STL模型文件的获取可分为正向建模和逆向建模两种方式，正向建模是从概念到实物的过程，先有概念或者想法再通过设计软件呈现出来。常用的正向建模软件包括：UG、Pro/ENGINEER、SolidWorks、CATIA、CAXA、中望3D、Autodesk 123D、3DSMax、Maya、Rhino、ZBrush等。

逆向建模是通过三维扫描、三坐标测量、CT扫描等方式采集数据，然后转成三维模型，并可以进行二次设计的建模方式。简单来说，逆向建模是先有实物，再在实物的基础上进行三维模型还原和再设计。常用的软件包括：Geomagic Studio、CATIA、Imageware、UG、Pro/ENGINEER、Mimics等。除此之外，也可通过网络上的模型网站直接下载自己感兴趣的模型。

（2）STL文件导出

市面上常用三维建模软件均可导出STL格式文件，这里以SolidWorks为例进行说明。在制作完成如图2-8所示模型后，在文件下拉菜单中选择“另存为”命令，然后选择保存的文件夹、名称、保存类型，直接单击“保存”按钮即可。在格式转化过程中，模型会有一定的失真，我们可通过单击“选项”命令，调整模型的精细度、误差、粗糙度等来改善，如图2-9和图2-10所示。

图2-8　建造模型

图2-9　“选项”对话框

图2-10　保存的STL文件

2.模型修复

由于各种原因，STL文件常常出现很多错误，这些错误会导致打印失败，打印前需要将这些错误进行修复。目前最具代表性的数据处理软件有Magics、Netfabl、Simplify3D、Meshlab等。

Magics是比利时Materialise公司开发的高端数据处理软件系统，是全球著名的STL数据处理平台，如图2-11所示。该系统具备基于STL模型的一整套解决方案，被认为是3D打印领域最专业、功能最强大的数据处理软件。在操作时，一般先通过其他建模软件，如Solidworks、UG等建立模型，并转化为STL格式，之后导入Magics软件进行进一步的数据处理。

图2-11　Magics 的界面

STL文件的常见错误有以下几种：

①三角面片方向错误：组成模型的所有三角面片的法向必须指向同一侧（内侧或外侧），可通过反转三角面片修正。

②孔洞：这是由三角面片的丢失引起的。当CAD模型的表面有较大曲率的曲面相交时，在曲面相交部分会出现丢失三角面片而造成孔洞。孔洞的修复是通过添加新的曲面以填补缺失的区域。

③缝隙：通常是由于顶点不重合引起的，也可以看作是三角面片缺失产生的。

④错误边界：又称坏边。在STL文件中，每一个三角面片与周围的三角面片都应该保持良好的连接。如果某个连接处出了问题，这个边界称为错误边界，一组错误边界构成错误轮廓。面片法向错误、缝隙、孔洞、重叠都会引发错误边界，确定不同位置产生坏边的原因，再找到合适的修复方法。

⑤干扰壳体：壳体的定义是一组相互正确连接的三角面片的有限集合。一个正确的STL模型通常只有一个壳。存在多个壳体通常是由于零件设计时没有进行布尔运算，结构与结构之间直接存在相交面。STL文件可能存在由非常少的面片组成、表面积为零、体积为零甚至为负数的干扰壳体。这些壳体没有几何意义，也不能制造出来，可直接删除。思考：为什么某些壳体的体积会是负数？

⑥重叠或交叉面：在物体表面剖分时，由于四舍五入的误差，可能出现重叠面。

3.切片

STL文件修复完成后，需要将模型导入专业的切片软件中进行分层切片。通过修改切片参数可以调整打印时间、打印质量等。在切片之前需要对模型进行摆放、添加支撑及面型化处理。

（1）模型摆放

模型摆放对FDM成型工艺至关重要。它能影响打印的支撑结构、打印时间、打印外观质量、打印强度等。

①支撑结构。FDM技术对于大多数悬空的结构都需要添加支撑结构。支撑结构会导致材料浪费、打印时间变长、支撑去除麻烦、与支撑接触的表面存在缺陷等一系列问题，模型摆放因考虑尽量较少使用支撑结构。一般情况下，悬空部分较短以及打印部分与垂直平面倾斜角小于45°时都可以不加支撑。摆放时应按从大到小的金字塔结构摆放，如图2-12所示。

图2-12　添加支撑的情况

②打印时间。模型摆放应尽量降低打印高度，高度越高，切片层数越多，打印时间越长，如图2-13所示。

图2-13　打印高度的选择

③打印外观质量。模型与支撑相连的地方，外观质量较差，对于外观要求较高的地方，摆放时应尽量避免添加支撑。(www.xing528.com)

图2-14　长方体摆放错误

④打印件强度。由于FDM技术打印零件的层与层之间的强度远低于平面的强度（通常Z轴方向的强度只有X/Y轴强度的30%），因此如果打印件的某个方向对强度要求更高，因尽量避免此方向与摆放轴线平行。例如，有图2-14所示的长方体，如果长度方向需要承受拉力，对强度要求较高，就不能立着摆放，应平躺或倾斜一定角度摆放。

（2）添加支撑

目前，大多数FDM技术切片软件都具备自动加支撑的功能，用户只需要设置支撑参数即可。常见的支撑参数有：支撑类型、支撑角度、支撑密度、平台附着方式等。

（3）面型化处理

面型化处理是指通过一组平行平面，沿Z轴方向将CAD模型切开，所得到的截面交线就是薄层的轮廓信息，而填充信息是通过一些判别准则来获取的。平行平面之间的距离就是分层的厚度，也就是成型时的层厚。分层切片后所获得的每一层信息就是该层的上下轮廓信息及填充信息。而轮廓信息由于是用平面与CAD模型的STL文件（面型化后的CAD模型）求交获得的，所以分层后所得到的模型轮廓线是近似的。在这一过程中，由于分层将破坏切片方向CAD模型表面的连续性，不可避免地会丢失模型的一些信息，导致零件尺寸及形状产生误差，所以切片分层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的形面精度。分层厚度越大，丢失的信息越多，导致在成型过程中产生的形面误差越大。综上所述，为提高零件精度，应该考虑更小的切片分层厚度。

4.打印

FDM工艺在打印前需要做的准备工作如下：

①检查打印机材料的种类、余量是否满足要求；

②检查打印平台是否调平。

FDM工艺的打印过程非常简单，由打印机内置系统自动完成。即使操作人员没有任何3D打印基础，只需要经过简单培训即可熟练操作设备。

5.后处理

打印完成后需要用铲子将模型从打印平台上取下，再用工具将多余的支撑材料去除，一个完整的三维模型就打印完成了。

六、FDM技术的常用材料

图2-15　热塑性材料

FDM技术使用的材料为热塑性材料（见图2-15），即能通过加热使材料处于半熔融状态，冷却后又能固化，整个过程是物理变化，不存在化学反应。

FDM技术使用的材料可分为成型材料和支撑材料。部分带双喷头的打印机可使用与成型材料不同的支撑材料，以此区分模型和支撑结构，便于在后处理过程中去除支撑结构。

1.FDM技术对成型材料的要求

FDM技术对成型材料的要求有：熔融点低、流动性好、黏结性好、收缩率小。

熔融点低：低熔融点的材料可在降低温度的情况下挤出，减少材料在挤出前后的温差和热应力，提高打印成功率和打印模型精度，从而降低对喷头和打印环境的要求。

流动性好：材料的流动性越好，阻力越小，有利于材料的挤出；流动性差的材料会增大送丝压力，容易堵塞打印喷头。

黏结性好：黏结性是指打印材料在冷却过程中与周边材料的黏结情况，黏结性的好坏将直接决定层与层之间的黏结强度，进而影响整个打印件的强度。这是采用FDM技术打印的零件在Z轴方向强度偏低的主要原因。

收缩率小：热塑性材料在冷却过程中必然伴随有热收缩。若收缩率过大会导致材料在冷却过程中变形较大，从而出现翘曲、开裂、变形等一系列问题，导致打印失败或者精度降低。工业级3D打印机可通过底板平台加热、成型仓密封加热的方式改变整个打印环境的温度，以减小热收缩，提高打印成功率和打印精度。

2.FDM技术对支撑材料的要求

FDM技术对支撑材料的要求与对成型材料的要求基本一致，也需要熔融点低、流动性好、收缩率小等。除此之外，支撑材料还要有相应的特性，如不浸润、可溶性。

不浸润：打印完成后需要将支撑材料与模型材料分离，因此支撑材料与模型材料的亲和性不应太好，否则不便于去除支撑材料，支撑材料也就失去其意义。

可溶性：为了便于去除镂空、悬空、孔等复杂结构的支撑材料，需要支撑材料能够在溶液中溶解。

3.常用材料

PLA材料：即聚乳酸，是由从玉米、木薯等中提取的淀粉制作而成，是一种可生物降解的环保材料。材料特性：热稳定性好、生物相容性好、阻燃性好、抗菌性好、收缩率小、便于加工等。其应用非常广泛，可用于包装、汽车、医疗等行业。由于PLA的性能优异且价格便宜，使其成为FDM技术使用较多的材料之一。

ABS材料：即丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物，是从化石燃料中提取出来的一种热塑性塑料。材料特性：强度高、韧性好、耐冲击、耐高温及耐腐蚀等。ABS材料也便于进行机械加工、喷涂、电镀等后处理。与PLA材料相比，ABS材料机械性能更好，但是由于其热收缩性较大，打印时易出现翘边、开裂等问题。ABS材料也是FDM技术使用较多的材料之一。

TPU材料：即热塑性聚氨酯弹性体，是一种弹性塑料。材料特性：高张力，高拉力，强韧性，耐老化，良好的承载能力、耐磨性、抗冲击性及减震性能。

除了以上材料外，FDM技术还可使用PP（聚丙烯）、PC（聚碳酸酯）、PETG（聚对苯二甲酸乙二醇酯—1，4—环己烷二甲醇酯）、木质等材料进行打印。

七、FDM技术的优缺点

1.FDM技术的优点

（1）成本低

FDM技术不采用激光器，设备运营维护成本较低，而其成型材料多为PLA、ABS等塑料，成本同样低廉，因此很多面向个人的桌面级3D打印机多采用FDM技术。

（2）原料广泛

PLA、ABS等热塑性材料均可成为FDM的成型材料。

（3）环境污染小

在整个打印过程中只涉及热塑性材料的熔融和凝固，不涉及化学反应和有毒有害物质排放，因此环境污染小。

（4）理化性能好

FDM技术可打印工程级塑料，打印件具有强度高、耐高温、耐腐蚀等优点。但是打印件Z轴方向的强度明显低于X/Y轴方向的强度，一般只有后者的30%。

2.FDM技术的缺点

（1）成型时间较长

由于喷头运动是机械运动，成型的速度受到一定的限制，因此一般成型时间较长，不适合制造大型和批量的零件。

（2）成型精度低

采用FDM技术打印的零件精度相对较低，表面有明显的层纹。

（3）支撑材料难以剥离

打印某些复杂零件时，需要添加支撑，打印完成后支撑材料不易剥离，并且支撑与模型接触的表面较粗糙。

八、应用案例

1.打印工装夹具

在汽车、机械等制造行业，工装夹具的使用量非常大，但是单个件的需求量不多，多为定制产品。因此可用3D打印技术来替代传统的机械加工制作工装夹具。图2-16为某汽车厂使用FDM技术制作的贴标用定位工装，使用此工装可以使操作人员方便、精确地找到贴标的位置。

图2-16　定位工装

使用3D打印技术打印工装夹具的优点如下：

①传统工装夹具多采用机械加工的方式制作，但其单件需求量一般较少，制造成本较高，采用3D打印技术后可节约制造成本。

②传统工装夹具在设计时需要考虑加工难度，通常不会设计得过于复杂，采用3D打印技术后可极大提高设计自由度。

③对于复杂结构和异形曲面的工装夹具，采用3D打印技术制作更具优势。

2.打印灯具

文创行业的产品存在很多异形、镂空的复杂结构，如果使用传统制造方式，制造难度极大、价格昂贵，而且部分设计无法实现。使用3D打印技术可解决很多问题，图2-17是采用FDM技术制造的月球灯，能完美展现月球的表面，透光效果也很好，并且制造成本低。此外，还可根据每个人的需求，实现个性化定制，如在灯罩表面将个人的照片做成浮雕。

图2-17　3D打印的月球灯

3.打印鲁班锁和校园模型

在科技飞速发展的今天，培养创新人才是国家可持续发展战略的重要内容。3D打印作为制造技术，无论多复杂的东西，只要有数据，都可以做出来。桌面级FDM设备操作简单，即使是小学生都可以熟练操作。这不仅能培养学生的创新思维、创造能力，还能提高学生的动手能力，让学生的创意得以实现。鲁班锁和校园模型的设计与打印如图2-18和图2-19所示。

图2-18　鲁班锁的设计与打印

图2-19　校园模型的设计与打印

九、国内外主要设备厂家

国内外从事FDM设备设计、生产、制造的厂家非常多，国外厂家主要有：Stratasys、Makerbot、Ultimaker等，国内的代表厂家有：浙江闪铸三维、北京汇天威、深圳森工、深圳极光尔沃、北京太尔时代等。

1.美国Stratasys公司

目前的Stratasys公司由Stratasys和Objet两家公司合并而成。Stratasys是目前全球最大的3D打印公司，在高速发展的3D打印技术中处于领导地位。

20世纪80年代，Stratasys公司创始人斯科特·克伦普发明了FDM技术，并获得专利；2002年，公司发布了世界上首个3D打印机系列——Dimension系列，这一系列产品大大促进了3D打印技术在各种应用领域的普及。目前，该公司拥有超过600项专利技术，售出了9万台以上的3D打印机。

2.荷兰Ultimaker公司

Ultimaker是国外较早从事桌面级3D打印机设计、生产、销售的公司，它是由3位来自荷兰的年轻人创立的。Ultimaker的产品系列包括Ultimaker 3系列、Ultimaker 2+系列和Ultimaker Original+系列。这些产品在国内外都具有较高的知名度。同时，Ultimaker公司开发了目前桌面级FDM领域运用最广的切片软件——Cura，这是一个免费的开源软件。

3.中国北京汇天威科技有限公司

北京汇天威科技有限公司成立于2005年，是一家集研发、生产、销售服务为一体的专业3D打印设备制造商。公司自2011年以来一直专注于3D打印技术的创新与研究，至今已面向国内外市场推出多款桌面级、工业级、教育级系列FDM打印设备——“弘瑞3D打印机”。

4.中国深圳森工科技有限公司

深圳森工科技有限公司是一家成立于2012年的国家级高新技术企业，2015年推出了独具特色的混色3D打印技术，并取得了相关专利，打破了此前国内同类型打印机只能打印单色的局面。