2.2　熔融沉积成型（FDM）

1988年，美国研究人员Scott Crump发明了熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）技术，又称熔融挤压成型；同年，成立了生产FDM工艺主要设备的Stratasys公司。FDM是将热塑性聚合物材料加热熔融成丝，采用热喷头，使半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤压并沉积在指定位置凝固成型，逐层沉积，凝固后形成整个原型或零件。这一技术又称为熔化堆积法和熔融挤出成模等。FDM技术是一种不依靠激光作为成型能源，而将各种丝材加热熔化的成型方法。

FDM是3D打印机使用较广的技术，Stratasys公司在1993年开发出第一台熔融沉积快速成型设备FDM 1650机型，并先后推出了FDM 2000、FDM 3000、FDM 800、FDM-Quantum机型以及小型FDM设备等一系列FDM设备产品，大大促进了3D打印技术在各种应用领域的普及。同时，FDM成型技术已被Stratasys公司注册专利。基于FDM成型技术的机型在中国甚至世界3D打印机市场占有较大的比例。较为著名的FDM 3D打印机有Maker Bot Replicator系列、3D Systems的Cube系列、太尔时代UP系列、弘瑞3D打印机等。清华大学和北京殷华激光快速成型与模具技术有限公司也合作推出了熔融沉积制造设备MEM 250。

FDM工艺干净、易于操作、不产生废料和污染，可以安全地用于办公场所，适合进行产品设计的建模并对其形状及功能进行测试。作为成型技术的FDM同其他成型技术相比有其固有的优缺点：优点是成型精度高、打印模型硬度好、颜色多；缺点是成型物体表面粗糙。

2.2.1　FDM技术原理

熔融沉积也被称为熔丝沉积、材料挤压，主要是在供料辊上缠绕实芯丝材原材料，通过电机驱动辊子旋转，利用辊子和丝材之间的摩擦力将丝材送入喷头的出口方向。为了更顺利、准确地将丝材由供料辊送到喷头的内腔，在供料辊与喷头之间设置了一个由低摩擦材料制成的导向套。在喷头前端电阻丝式加热器的作用下，将加热熔融的丝材经过出口涂覆在工作台上，冷却后即可形成制件当前截面轮廓。若能保证热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，成型部分的温度始终稍低于固化温度，就能确保材料被喷出后迅速与前一层面熔结，重复熔喷沉积的过程，就能完成整个实体造型，熔融沉积式3D打印机原理如图2-2所示。

为了节省熔融沉积快速成型工艺的材料成本，提高工艺的沉积效率，在原型制作时需要同时制作支撑。因此，新型FDM设备采用了双喷头，如图2-3所示。一个喷头用于沉积模型材料，另一个用于沉积支撑材料。采用双喷头不仅能够降低模型制作成本，提高沉积效率，还可以灵活地选用具有特殊性能的支撑材料，方便在后处理中去除支撑材料。

2.2.2　FDM系统组成

FDM系统主要有供料机构、喷头、运动系统和工作台等。喷头安装于扫描系统上，可根据各层截面信息，随扫描系统做X-Y平面运动。在计算机控制下，供料系统将可热塑性丝材送进喷头，加热器将送至喷头的丝状材料加热至熔融态，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（或工作台下降）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。

（1）供料机构

常用的供料机构采用直流电机驱动一对送进轮，靠摩擦力推动丝材进入液化器和喷嘴。为了实现供料机构的功能，电机驱动力要大于流道和喷嘴的阻力且丝材要有足够的轴向强度。普通供料机构依靠摩擦力提供的挤压力有限，聚合物丝条的加热完全通过外部加热装置，因而要求较长的流道，容易引起喷嘴堵塞。图2-4为采用不同挤压方式的供料机构，包括丝材送进、螺旋杆泵送进和活塞缸送进3种挤压方式。

图2-4（a）所示为丝材送进挤压方式，成型材料为丝状热塑性材料，经驱动机构送入液化器，并在其中受热逐渐熔化，先进入液化器的材料熔化后受到后部未熔材料丝（起到推压活塞的作用）的推压而挤出喷嘴。图2-4（b）所示为螺旋杆泵送进挤压方式，采用螺旋泵实现颗粒状原材料的泵送、加热和挤出，挤出材料的速度可以由螺旋杆的转速调节。图2-4（c）所示为活塞缸送进挤压方式，喷头的主要部分是一缸体，成型材料在缸内受热熔融，在活塞的压力作用下挤出喷嘴。可以看出，这几种方式都能实现材料的送进、熔融和挤压。在目前成熟的FDM系统中，喷头采用的挤出形式主要为丝材送进挤压式和螺旋杆泵送进挤压式喷头。前者占据FDM设备的主流位置，后者在一些大型FDM设备中较为常见。

（2）喷头

喷头是FDM系统的核心部件之一，其质量的优劣直接影响着成型件的质量。理想的喷头应该满足以下要求。①材料能够在恒温下连续稳定地挤出。这是FDM对材料挤出过程最基本的要求，恒温是为了保证粘接质量，连续是指材料的输入和输出在路径扫描期间是不间断的，这样可以简化控制过程和降低装置的复杂程度。稳定包括挤出量稳定和挤出材料的几何尺寸稳定两方面，其目的都是保证成型精度和质量。本项要求最终体现在熔融的材料能无堵塞地挤出。②材料挤出具有良好的开关响应特性以保证成型精度。FDM是由X、Y轴的扫描运动，Z工作平台的升降运动以及材料挤出相配合而完成。由于扫描运动不可避免地有启停过程，因此需要材料挤出也应该具有良好的启停特性，换言之就是开关响应特性。启停特性越好，材料输出精度越高，成型精度也就越高。③材料挤出速度具有良好的实时调节响应特性。FDM对材料挤出系统的基本条件之一就是要求材料挤出运动能够同喷头X-Y扫描运动实时匹配。在扫描运动起始与停止的加减速阶段，直线扫描、曲线扫描对材料的挤出速度要求各不相同，扫描运动的多变性要求喷头能够根据扫描运动的变化情况适时、精确地调节材料的挤出速度。另外，在采用自适应分层以及曲面分层技术的成型过程中，对材料输出的实时控制要求则更为苛刻。④挤出系统的体积和重量需限制在一定的范围内。目前，大多数FDM中均采用X-Y扫描系统带动喷头进行扫描运动的方式来实现材料X-Y方向的堆积。喷头系统是X-Y扫描系统的主要载荷。喷头系统体积小，可以减小成型空间；重量轻，可以减小运动惯性并降低对运动系统的要求，也是实现高速（高速度和高加速度）扫描的前提。⑤足够的挤出能力。提高成型效率是不断改进快速成型系统的原动力之一。实现材料的高速、连续挤出是提高成型效率的基本前提。目前，大多数FDM设备的扫描速度为200～300mm/s，因此要求喷头必须有足够的挤出能力来满足高速扫描的需要。实际上高精度直线运动系列的运动速度可以轻松达到500mm/s，甚至更高，但材料挤出速度是制约FDM速度不断提高的瓶颈之一。

喷头的基本功能就是将导入的丝材充分熔化，并以极细丝状从喷嘴挤出。图2-5所示为丝材在流道中熔融挤出过程的示意图。丝材在摩擦轮驱动下进入加热腔直流道，受到加热腔的加热逐步升温。在温度达到丝材物料的软化点之前，丝材与加热腔内壁之间有一段间隙不变的区域，称为加料段。随着丝材表面温度升高，物料熔化，形成一段丝材直径逐渐变细直到完全熔融的区域，称为熔化段。在物料被挤出口之前，有一段完全由熔融物料充满机筒的区域，称为熔融段。理论上，只要丝材以一定的速度送进，加料段材料就能够保持固体时的物性而充当送进活塞的作用。图2-6为FDM 3D打印机喷头。

（3）运动系统

3D打印FDM机器的运动系统按照结构来分可以分为I3、MB、并联臂、UM、CoreXY等类型。每种类型的驱动方式和运动方式有所不同，稳定性与运动精度也有所差异。

①I3结构 图2-7为I3结构打印机运动系统示意图，底板平台在电机的带动下可以沿Y轴做前后运动；送丝打印头装置悬挂在X轴杆上，在电机的带动下，打印头可以沿X轴做左右运动。平台和打印头的合作就是整个平台面上的平面运动。在打印机的两边各有两根竖杆，它是打印头做上下运动的轨道，也就是Z轴。平面运动与打印头上下运动组合起来就是X、Y、Z三个方向的运动。

图2-8所示为I3结构FDM 3D打印机。该结构的3D打印机框架相对比较简单，采用龙门支架，比较节省材料，所以相对而言价格也比较便宜，适合初级入门，DIY的成本也比较低；近程送丝，可以打印柔体耗材，例如热塑性聚氨酯弹性体材料（TPU）等。

该结构的3D打印机，Y方向为平台移动，由于平台重量比较大，打印时惯性自然就大，增加了步进电机和同步带的负荷，会加快同步带磨损；同时在打印速度较快时，无法保证打印精度。Z方向为双丝杠带动挤出头上下移动，由于丝杠的精度无法做到完全一致，长时间打印后，就会出现两边不平齐的情况，影响打印效果。机器占地面积大，平台是Y轴方向移动，所以需要的面积比较大。为了压缩成本，一般I3结构的机器都做得比较简单；但开关电源外置，可能会带来安全隐患。另外，喷头模块使用的是单风道，只能吹到打印模型的一侧，另一侧无法及时冷却，影响打印质量。

②MB结构（Makerbot） X、Y、Z三轴分别由独立的两个步进电机控制，Z轴由两根光轴固定，平台运动时稳定性好，振动小，打印精度得到保证；外框架为四方形，结构稳定；采用近程送丝，可以打印柔体耗材，MB结构FDM 3D打印机及挤出头如图2-9所示。

由于挤出头的原因导致机器内部空间利用率较低，相对于并联臂而言，稍微好一点。由于挤出头设计的问题导致无法快速散热，散热效率不高，比较容易堵头。采用单风道，只能吹到打印模型的一侧，另一侧无法及时冷却，打印质量得不到保证。

③并联臂结构 采用并联臂结构占地面积小，框架简单，使用铝型材DIY时，框架大小方便定制，如图2-10所示；喷头移动灵活，打印时设置回抽抬升喷头可有效减少拉丝，其他结构无法做到灵活地抬升喷头；采用远程送丝，使用E3D喷头，重量轻，打印速度比较快；E3D挤出头散热性能好，不易堵头。

缺点是打印机内部空间利用率很低，机器越高，空间利用率越低；调平比较困难，由于它的平台是固定的，如果没有自动调平，那么调平只能通过软件或手动调整X、Y、Z三个方向的偏置参数来进行，比较麻烦；由于采用远程送丝，如果打印时频繁回抽，气动接头容易损坏。

④UM结构（Ultimaker） X、Y、Z三轴分别由独立的两个步进电机控制，以十字结构控制喷头的打印稳定性，打印精度高。UM结构和MB结构最大的区别是MB结构X轴电机和进丝电机在运动组件上，容易增加Y轴负载；UM结构将打印头做到了最轻，远程送丝，喷头重量轻，打印速度快，机器内部空间利用率高。在I3、并联臂、MB、UM四种结构中，UM结构的内部空间利用率是最高的，如图2-11所示。

缺点是Ultimaker的挤出机没有压片，换料时只能用内六角调节弹簧的压缩力度，所以导致换料比较麻烦，而且进料时如果对不准特氟龙的孔，容易被特氟龙管挡住。控制喷头移动的X、Y轴及十字轴装配比较困难。X轴方向的小闭口同步带如果磨损太严重，需要更换时，要拆掉整根光轴，十分麻烦。远程送丝时，如果打印过程中频繁回抽，气动接头容易损坏。

⑤CoreXY结构 CoreXY型3D打印机的运动与大多数FDM运动一样，在一个平面和一个方向上运动，如图2-12所示。水平面的X、Y方向运动是由两个步进电机联动，通过齿形带牵引喷头运动。两个传送皮带看上去是相交的，其实是在两个平面上，而且一个在另外一个上面。在X、Y方向移动的滑架上安装了两个步进电机，使得滑架的移动更加精确而稳定；同时，还有两个平行的导轨阻尼器以减少运动冲击。CoreXY结构的主要优点是打印速度快，没有X轴电机一起运动的负担，可以做得更小巧，打印面积占比更高，如图2-13所示。

2.2.3　工艺特点

熔融沉积式（FDM）工艺与其他快速成型工艺方法相比，该工艺较适合于产品设计的概念建模及产品的功能测试。其中，ABS材料具有很好的化学稳定性，可采用γ射线消毒，特别适合于医用，但成型精度相对较低，不适于制作结构过于复杂的零件。

（1）熔融沉积式（FDM）工艺的优点

①系统构造和原理简单，运行维护费用低。

②原材料无毒，适宜在办公环境中安装和使用。

③用蜡成型的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。

④可以成型任意复杂程度的零件。

⑤无化学变化，制件的翘曲变形小。

⑥原材料利用率高且材料使用寿命长。

⑦支撑去除简单，无须化学清洗，分离容易。

⑧可直接制作彩色原型。

（2）熔融沉积式（FDM）工艺的缺点

①成型件表面有较明显条纹。

②需要设计与制作支撑结构。

③需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。

④沿成型轴垂直方向的强度比较弱。

⑤原材料价格昂贵。

2.2.4　FDM工艺误差影响因素

（1）材料特性对误差的影响

由于FDM工艺中涉及塑料材质的状态变化，即材料由喷嘴处的熔融状态挤出至成型平面上逐渐冷却至固态的过程，这个变化过程中材料的力学性能会发生变化，如密度增大，相应的体积也会减少，这种材料的特性是无法克服的；一旦材料确定，则变化规律也确定了，但是成型过程中受到工艺参数的影响，要合理设置各个工艺参数应尽量避免材料收缩引起的精度误差被放大。

在表2-1中，列出了FDM工艺中常用材料的相关特性及其主要力学性能。观察这几种材料可知，基本都存在收缩变形现象，只是数值大小不同，故要完全消除材料特性产生的误差非常困难。在设计模型时，应合理选择材料与成型温度，防止产生不必要的误差。

（2）打印速度对误差的影响

受机械结构和运动稳定性的影响，打印速度不仅影响成型件的精度；同时，由于打印速度和丝线的挤出速度有一定的映射关系，所以还会影响到材料离开挤出喷头时的初速度。当材料被挤出时，从熔融状态变为固态的过程中冷却时间也是不尽相同的，从而导致挤出丝在每一条出丝直线上的热应力收缩条件都不一样，造成一定的精度误差。可见，在其他工艺参数都不变的条件下，打印速度不同，挤出材料的固化时间也不相同，最终导致因材料的收缩变形量不同而产生变形。通过分析塑料件的力学性能可知，当打印速度较快时，材料的固化时间变短，收缩变形的幅度较小；当打印速度较慢时，材料的固化时间变长，收缩变形幅度较大。

（3）打印温度对误差的影响

打印温度主要指挤出头的设置温度。图2-14所示为PLA材料温度与形态变化关系，由于FDM工艺用的成型材料大多为高分子聚合物，其材料物理特性实际上是与混合物相类似，因此材料的熔点不是一个确定的温度，而是一个温度范围。

如果PLA材料的熔点在155～185℃范围内，若是温度参数设置过低，则PLA材料非完全熔化，仍有少量玻璃态材料存在，在挤出时会影响打印精度和喷头寿命；若是温度设置过高，材料全部达到熔点温度以上都会呈现液态属性，但是材料中有部分聚合物由于温度高于熔点将出现过烧现象，也会对成型精度造成影响；而且不同分子量的聚合物在冷却为固态时的热应力也会有所差异，将会产生一定的热变形。

（4）FDM机器误差的影响

FDM机器误差是设备本身的误差，属于系统误差，应尽可能减小。FDM机器误差主要包括以下三种类型。

①工作台引起的误差 工作台引起的误差分成Z轴方向的运动误差和X-Y平面的误差。Z轴方向的运动误差会直接影响产品在Z方向上的形位误差，令分层厚度方向的精度变差，引起产品表面粗糙度值增加，因而必须确保工作台面与Z轴的垂直度；工作台在X-Y平面的误差指工作台表面不水平，使得制件的理论设计形状与实际成型形状有很大差别。

②X、Y轴导轨的垂直度误差 X-Y扫描系统是采取X、Y轴的二维运动，X、Y轴选取交流伺服电机通过精密滚珠丝杠传动，同时选取精密滚珠直线导轨导向，由步进电机驱动同步齿轮同时带动喷头运行。每个传动过程均会有误差的产生，设备的加工质量受到现代机械加工水平的制约，它是全部设备加工中普遍存在的问题，难以解决。为了尽量减少这种误差，必须定期检测和维护成型设备。

③定位误差 在X、Y、Z三个方向上，成型机的重复定位均可能有所不同，从而造成了定位误差。

（5）分层厚度对误差的影响

通常情况下，实体表面产生的台阶将随着分层厚度的减小而减小，而表面质量将随着分层厚度的减小而提高。但是，如果分层处理和成型的时间过长将影响加工效率。同时，分层厚度增大将使实体表面产生的台阶增大，降低表面质量，但是相对而言会提高加工效率。因此，在实际加工中，要兼顾效率和精度来确定分层厚度，必要时可通过打磨来提高原型表面质量和表面精度。

（6）CAD模型误差

FDM的第一步就是设计理论上的三维CAD模型，这一步可由三维造型软件完成。为了进行下一步的模型切片分层处理，必须对此CAD模型进行转化；而多数快速成型系统使用标准的STL数据模型来定义成型的零件，它是一种用许多空间小三角形面片来逼近三维实体表面的数据模型。在CAD系统将三维CAD模型转换成STL数据模型的过程中，会出现对三维零件描述的一系列缺陷。

①采用STL格式的三角形面片近似逼近CAD模型的表面，这本身即是近似的方法，此文件格式把CAD模型连续的表面离散成三角形面片的集合。当实体模型的表面均为平面时将不会产生误差。但对于现实中的物体而言，曲面是大量存在的，无论曲面精度如何高，也无法完全表达原表面，这种误差就是不可避免的。另外，当有数个曲面进行三角化时，位于曲面相交的地方将产生缝隙、重叠、畸变等缺陷，同样导致模型精度的降低。

②分层后的层片文件（采用CLI格式）用线段近似逼近曲线，又将引起误差。很多研究者提出了减小这类误差的措施，例如增加三角形面片的数目可以减小这类误差。但是，不可能彻底消除它，而且增加三角形面片会使STL文件过大和加工时间增加。另外一些研究者采用新的模型格式，如用STEP格式替代STL格式，结果证明可以大大减小这类误差。但是，STEP文件格式的文件量比STL文件格式大很多，同样影响软件运算处理速度和时间。