熔融沉積成型(美國學者 Dr. Scott Crump 1988 年研製成功的工藝)

熔融沉積成型是指由美國學者 Dr. Scott Crump 於 1988 年研製成功的工藝。它是一種不使用雷射器加工的方法。其原理：噴頭在計算機控制下作 x-y 聯動及 z 向運動，絲材在噴頭中被加熱到溫度略高於其熔點，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來。

基本介紹

• 中文名：熔融沉積成型
• 外文名：(Fused deposition modeling
• 別名：FFF 熔絲製造
• 領域：3D列印
• 定義：一種將各種熱熔性的絲狀材料
• 有關術語：快速成型

簡介

熔融沉積成型，(Fused deposition modeling, FDM)，是一種將各種熱熔性的絲狀材料（蠟、ABS和尼龍等）加熱熔化成形的方法，是3D列印技術的一種。 又可被稱為FFM 熔絲成型 (Fused Filament Modeling) 或FFF 熔絲製造 (Fused Filament Fabrication)，其後兩個不同名詞主要只是為了避開前者FDM專利問題，然而核心技術原理與套用其實均是相同的。熱熔性材料的溫度始終稍高於固化溫度，而成型的部分溫度稍低於固化溫度。熱熔性材料擠噴出噴嘴後，隨即與前一個層面熔結在一起。一個層面沉積完成後，工作檯按預定的增量下降一個層的厚度，再繼續熔噴沉積，直至完成整個實體零件。

先用CAD軟體建構出物體的3D立體模型圖，將物體模型圖輸入到FDM的裝置。FDM裝置的噴嘴就會根據模型圖，一層一層移動，同時FDM裝置的加熱頭會注入熱塑性材料(ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)樹脂、聚碳酸脂、PPSF(聚苯碸)樹酯、聚乳酸和聚醚醯亞胺等)。材料被加熱到半液體狀態後，在電腦的控制下，FDM裝置的噴嘴就會沿著模型圖的表面移動，將熱塑性材料擠壓出來，在該層中凝固形成輪廓。FDM 裝置會使用兩種材料來執行列印的工作，分別是用於構成成品的建模材料和用作支架的支撐材料，透過噴嘴垂直升降，材料層層堆積凝固後，就能由下而上形成一個3D列印模型的實體。列印完成的實體，就能開始最後的步驟，剝除固定在零件或模型外部的支撐材料或用特殊溶液將其溶解，即可使用該零件了。

原理及優點

FDM 工藝是利用熱塑性材料的熱熔性、粘結性，在 PLC 控制下逐層堆積成型。熔融沉積成型工藝原理，如圖1所示。成型材料和支撐材料由供絲機構送至各自對應的噴頭，並在噴頭中加熱至熔融態。加熱噴頭在控制系統指令下沿著零件截面輪廓和內部軌跡運動，同時將半流動狀態的熱熔材料擠出，粘稠狀的成型材料和支撐材料被選擇性地塗覆在工作檯上，迅速固化後形成截面輪廓。當前層成型後，噴頭上升特定高度再進行下一層的塗覆，層層堆積形成三維產品。

圖1 原理圖

熔融沉積快速成型技術已經基本成熟，大多數 FDM 設備具備以下特點：（1）設備以數控方式工作，剛性好，運行平穩；（2）X、Y 軸採用精密伺服電機驅動，精密滾珠絲槓傳動；（3）實體內部以格線路徑填充，使原型表面質量更高；（4）可以對 STL 格式檔案實現自動檢驗和修補；（5）絲材寬度自動補償，保證零件精度；（6）擠壓噴射噴頭無流涎、高回響；（7）精密微泵增壓系統控制的遠程送絲機構，確保送絲過程持續和穩定。

熔融沉積成型技術不採用雷射，因而這種儀器的使用、維護比較便捷，成本不高。用蠟成型的零件模型，能夠用於石蠟鑄造；利用 PLA、ABS 成型的模型具有較高的強度，可以直接用於產品的測試和評估等。近年來又開發出 PPSF、PC等高強度的材料，可以利用上述材料製造出功能性零件或產品。鑒於 FDM 技術的很多優點，所以該技術在取得了快速發展。

由於採用熔融沉積成型工藝的成型件是利用熔融狀態下的絲材在工作空間中層層堆積而成，因此在構建模型時，通常需要設計輔助支撐結構。美國 Stratasys 公司隨機附有產生支撐結構的切片軟體，而且可以把水溶性絲材當作支撐結構的材料，當模型加工完畢後，只需要通過水洗處理，就可以快速便捷的去掉支撐結構，這在很大程度上簡化了熔融沉積成型技術的後處理過程，最佳化了製件的表面精度。

熔融沉積成型技術所用的成型材料一般為熱塑性材料，常見的有 PLA、ABS、尼龍等。其工藝原理是成型材料和支撐材料通過送絲機構送進相應的噴嘴，在噴嘴內被加熱至熔融狀態，噴嘴通過成型系統的控制，根據提前設定的輪廓信息和填充軌跡做平面運動，而且經由噴嘴擠出的材料均勻地平鋪在每一層截面輪廓上，此時被擠出的絲材在短時間內快速冷卻，並和上一層固化的材料粘連在一起，層層堆積，最終生成所需的實體零件。

快速成型技術

快速成型技術是利用三維建模軟體快速生成模型和實體零件的技術總稱。它是一種新穎的零件製造方式，套用層層堆積、增材製造的手段生產加工零件。3D列印與傳統的鑄造、機械加工等方法相比，更容易適應產品設計的變化，縮短了產品開發周期。依靠此技術可以生成非常複雜的實體，而且成型的過程中無需模具的輔助。快速成型技術涉及到 CAD 技術、材料科學、數控技術、電子技術、機械工程和雷射技術等多種領域，是實現產品從二維模型轉換為三維實體的一種製造方式。快速成型技術有很多種成熟的工藝方法，如熔融沉積成型製造工藝、光固化快速成型工藝、雷射燒結工藝、疊層實體製造工藝。

快速成型技術是由計算機利用三維建模軟體構建三維模型，隨後依據工藝規劃，將建立的模型分散成一系列有序的二維單元，一般在 Z 向根據厚度要求首先進行分層，把三維模型分離成一系列的二維切片，然後根據每一層的輪廓信息，輸入設計的加工參數，生成加工程式，最後經由快速成型系統將零件自動成型，從而得到一個三維物理模型。

優勢及不足

熔融沉積成型技術之所以能夠得到廣泛套用，主要是由於其具有其他快速成型工藝所不具備的優勢，具體表現為以下幾方面：

1. 成型材料廣泛熔融沉積成型技術所套用的材料種類很多，主要有PLA、ABS、尼龍、石蠟、鑄蠟、人造橡膠等熔點較低的材料，及低熔點金屬、陶瓷等絲材，這可以用來製作金屬材料的模型件或 PLA 塑膠、尼龍等零部件和產品。
2. 成本相對較低，因為熔融沉積成型技術不使用雷射，與其他使用雷射器的快速成型技術相比較而言，它的製作成本很低；除此之外，其原材料利用率很高並且幾乎不產生任何污染，而且在成型過程中沒有化學變化的發生，在很大程度上降低了成型成本。
3. 後處理過程比較簡單，熔融沉積成型技術所採用的支撐結構很容易去除，尤其是模型的變形比較微小，原型製件的支撐結構只需要經過簡單的剝離就能直接使用。出現的水溶性支撐材料使支撐結構更易剝離。

此外，熔融沉積成型技術還有以下優點：用石蠟成型的製件，能夠快速直接地用於失蠟鑄造；能製造任意複雜外形曲面的模型件；可直接製作彩色的模型製件。當然，和其他快速成型工藝相比較而言，熔融沉積成型技術在以下方面還存在一定的不足：

1. 只適用於中小型模型件的製作
2. 成型零件的表麵條紋比較明顯
3. 厚度方向的結構強度比較薄弱，因為擠出的絲材是在熔融狀態下進行層層堆積，而相鄰截面輪廓層之間的粘結力是有限的，所以成型製件在厚度方向上的結構強度較弱。
4. 成型速度慢、成型效率低

在成型加工前，由於熔融沉積成型技術需要設計並製作支撐結構，同時在加工的過程中，需要對整個輪廓的截面進行掃描和堆積，因此需要較長的成型時間。熔融沉積成型工藝包括前處理、成型加工過程和後處理三個部分，前處理主要包括零件的三維建模、模型切片處理、切片檔案的校驗與修復、模型擺放位置的確定以及加工參數的確定；成型加工過程是指零件被加工製造的階段；後處理是指零件加工完成後，為了滿足使用工況需求，對其表面和支撐結構進行修復處理的過程。