6.1.2 FDM原理及应用
（1）FDM工艺原理
熔融挤压（Fused Deposition Modeling，FDM）是将丝状原料通过送丝部件送入热熔喷头，然后在喷头内被加热融化，之后在电脑控制下喷头会沿着零件截面的轮廓和填充轨迹运动，将半流动状态的材料送到指定位置并使其最终凝固，同时与周围材料黏结，按照这个程序有选择性地逐层熔化与覆盖，最终形成成品，如图6.7所示。
图6.7 FDM工作原理图
成型过程主要包括设计三维模型、三维模型的近似处理、STL文件的分层处理、造型及后处理，如图6.8所示。
图6.8 FDM成型过程
（2）FDM技术打印材料
材料是3D打印技术的关键所在，对于FDM来说也不例外，FDM系统的材料主要包括成型材料和支撑材料，成型材料主要为热塑性材料（如图6.9所示），包括ABS、PLA、人造橡胶、石蜡等；支撑材料目前主要为水溶性材料。FDM采用的是热塑成型的方法，丝材要经受“固态—液态—固态”的转变，因此其对材料的特性、成型温度、成型收缩率等有着特定的要求。线材线径常规为1.75 mm和3 mm。
图6.9 FDM打印线材
1）成型材料
成型材料是利用FDM技术实现3D打印的载体，FDM技术对其黏度、熔融温度、黏结性、收缩率等均有较高的要求，具体如表6.1所示。
表6.1 FDM技术对成型材料的要求
根据上述特性，目前市场上主要的FDM成型材料包括ABS、PC、PP、PLA、合成橡胶等，如表6.2所示。
表6.2 FDM常用的成型材料
续表
2）支撑材料
支撑材料，顾名思义，是在3D打印过程中对成型材料起到支撑作用的部分，在打印完成后，支撑材料需要进行剥离，因此也要求其具有一定的性能。目前采用的支撑材料一般为水溶性材料，即在水中能够溶解，方便剥离。具体特性要求如表6.3所示。
表6.3 FDM常用的支撑材料
FDM对支撑材料的具体要求是：能够承受一定的高温、与成型材料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性要好等。
（3）FDM的优点及存在的问题
与其他的3D打印技术路径相比，FDM具有成本低、原料广泛等优点，但同样也存在成型精度低、支撑材料难以剥离等缺点。
1）具有的优点
①成本低：FDM技术不采用激光器，设备运营、维护成本较低，而其成型材料也多为ABS、PC等产用工程塑料，成本同样较低，因此目前桌面级的3D打印机多采用FDM技术路径。
②成型材料范围较广。通过上述分析我们知道，ABS、PLA、PC、PP等热塑性材料均可作为FDM路径的成型材料，这些都是常见的工程塑料，易于取得，且成本较低。
③环境污染较小。在整个过程中只涉及热塑材料的熔融和凝固，且在较为封闭的3D打印室内进行，不涉及高温、高压，没有有毒、有害物质排放，因此环境友好程度较高。
④设备、材料体积较小。采用FDM路径的3D打印设备的体积较小，耗材也是成卷的丝材，便于搬运，适合于办公室、家庭等环境的使用。
⑤原料利用率高。没有使用或者使用过程中废弃的成型材料和支撑材料可以进行回收、加工再利用，能够有效提高原料的利用效率。
⑥后处理相对简单。目前采用的支撑材料多为水溶性材料，剥离较为简单。其他技术路径的后处理往往还需要进行固化处理，需要其他辅助设备，FDM则不需要。
2）存在的缺点
①成型时间较长。由于喷头运动是机械运动，成型过程中速度会受到一定的限制，因此一般成型时间较长，不适于制造大型部件。
②精度低。与其他的3D打印路径相比，采用FDM路径生产的成品的精度相对较低，表面有明显的纹路。
③需要支撑材料。在成型过程中需要加入支撑材料，在打印完成后要对其进行剥离，对于一些复杂构件来说，剥离存在一定的困难。另外，随着技术的进步，一些采用3D打印的厂家已经推出了不需要支撑材料的机型，该缺点正在被逐步克服。
（4）与其他的3D打印技术的对比
与SLA、SLS、SLM等成熟的3D打印技术相比，FDM具有自己的特点。总体来说，FDM技术适合于对精度要求不高的桌面级3D打印机，其易于推广，市场空间也较大。
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