FDM 3D打印技术：原理、特征与应用
FDM 3D打印技术：原理、特征与应用
熔融沉积成型（FDM）是目前应用最广泛的3D打印技术之一，通过逐层沉积熔化的热塑性材料来构建物体。从消费级到工业级应用，FDM技术凭借其成本效益和易用性，已经成为快速原型制作和小批量生产的重要工具。本文将详细介绍FDM技术的工作原理、特征、应用领域以及其优缺点。
FDM技术概述
熔融沉积成型（FDM）或熔融长丝加工（FFF）属于材料挤压系列。在FDM中，通过在预定路径中逐层选择性地沉积熔化的材料来构建对象。所使用的材料是热塑性聚合物，大部分为丝状线材，近期也有颗粒状的设备出现。
FDM是使用最广泛的3D打印技术，在全球的3D打印装机量中占比最大，通常是人们接触到的第一款3D打印设备。FDM工艺的性质本身决定了打印产品的精度相对粗糙，初始阶段更多用于消费、教育、文创等领域。但近年来随着3D打印技术的快速发展，先后出现了一些准工业级的FDM设备，和工业、医疗级FDM打印材料，极大地拓宽了FDM工艺的应用领域。
FDM工艺打印过程
熔融沉积建模（FDM）打印过程主要包括以下几个步骤：
首先将一卷热塑性长丝装入打印机。一旦喷嘴达到所需的温度，长丝就被喂入到挤出头中并在喷嘴中熔化。
挤出头连接到3轴系统，使其可以在X和Y方向移动。熔化的材料被挤压成细条，并逐层沉积在预定的位置，在此处冷却并固化。有时，通过使用安装在挤出头上的冷却风扇可以加快材料的冷却速度。
一个层面打印完成后，工作台沿Z轴方向按预定的增量下降一层的厚度，材料被挤出后沉积在前一层已固化的材料上，通过材料逐层堆积形成最终的成品。
打印完成后去除支撑，表面处理。
FDM工艺的特征
大多数FDM系统允许调整几个过程参数，包括喷嘴和构建平台的温度，构建速度，层高和冷却风扇的速度。这些通常是由操作员设置的，因此设计者应该很少关心它们。
从设计师的角度来看，重要的是构建大小和层高：
台式3D打印机的可用内部尺寸通常为200 x 200 x 200毫米，而对于工业机器，则可能高达1000 x 1000 x 1000毫米。如果希望使用台式机（为了降低成本），则可以将大型模型分解为较小的零件，然后组装。
FDM中使用的典型层高在50到400微米之间变化，可以在下订单时确定。较小的层高可生产出更平滑的零件，并能更准确地捕获弯曲的几何形状，而较大的层高则可以更快地生产且成本更低。
工业级FDM打印
工业FDM打印机提供了比桌面打印机更强大的生产能力，具有更高的打印精度和更大的打印尺寸。
工业FDM打印机还可以打印更广泛的材料，如具有高冲击强度、生物相容性、耐腐蚀、抗高温、灵活性等的工程塑料。尽管工业FDM打印机价格相比于桌面机FDM打印机更贵，但操作相对简单，维护成本低，这使得它们成为快速原型制作和小批量生产运行的经济有效的解决方案。
FDM工艺的优点和局限性
主要优点：
- FDM是生产定制热塑性零件和原型的最具成本效益的方式。
- 由于该技术的高可用性，FDM的交货期很短。
- 有多种热塑性材料可供选择，适用于原型设计和某些非商业功能应用。
主要缺点：
- 与其他3D打印技术相比，FDM具有最低的尺寸精度和分辨率，因此它不适合具有复杂细节的零件。
- FDM零件可能具有可见的层线，因此需要进行后期处理才能使表面光滑。
- 层粘合机制使FDM零件具有固有的各向异性。