熔融沉積成型

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打印技術的一種。 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應用其實均是相同的。熱熔性材料的温度始終稍高於固化温度，而成型的部分温度稍低於固化温度。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，工作台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 ^[1]  。

先用CAD軟件建構出物體的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、聚乳酸和聚醚酰亞胺等)。材料被加熱到半液體狀態後，在電腦的控制下，FDM裝置的噴嘴就會沿着模型圖的表面移動，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打印的工作，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打印模型的實體。打印完成的實體，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。

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着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台上，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。

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）實體內部以網格路徑填充，使原型表面質量更高；（4）可以對 STL 格式文件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、高響應；（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 ^[2]  。

熔融沉積成型技術不採用激光，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。鑑於 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件，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，優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。

快速成型技術是利用三維建模軟件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，應用層層堆積、增材製造的手段生產加工零件。3D打印與傳統的鑄造、機械加工等方法相比，更容易適應產品設計的變化，縮短了產品開發週期。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、機械工程和激光技術等多種領域，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、激光燒結工藝、疊層實體制造工藝。

快速成型技術是由計算機利用三維建模軟件構建三維模型，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，生成加工程序，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。

熔融沉積成型技術之所以能夠得到廣泛應用，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：

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：

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、切片文件的校驗與修復、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 ^[3]  。