揭秘3D打印技術(shù)之FDM原理

　　在尚未見到3D打印機(jī)之前，想必您同我一樣想一睹3D打印機(jī)的“芳容”，瀏覽關(guān)于3D打印機(jī)的論壇、貼吧甚至在百度搜索框中輸入“3D打印機(jī)”一探3D打印機(jī)的究竟。一個(gè)個(gè)“栩栩如生”的3D打印作品映入眼簾，心里對3D打印產(chǎn)生著這樣或那樣的疑惑。3D打印的模型究竟如何出爐？事實(shí)上，3D打印的學(xué)名為增材制造技術(shù)，相比傳統(tǒng)減材制造技術(shù)，增材制造技術(shù)是將模型一層層打印出來。就3D打印成型工藝而言五花八門，諸如：FDM、SLA、SLS、SLM、DLP、3DP等，這些成型技術(shù)原理不一、各有特色，但無不呈現(xiàn)同一特性，那就是增材制造。之前筆者在《領(lǐng)銜高新技術(shù) 國產(chǎn)桌面SLA 3D打印機(jī)》系統(tǒng)解析過SLA技術(shù)的成型原理。今天，筆者將解開FDM技術(shù)成型原理的面紗。

　　●什么是3D打印技術(shù)之FDM

　　或許你曾糾結(jié)于諸如形象各異的小裝飾品究竟如何出爐，或許你曾苦思憫想搞懂3D打印技術(shù)的成型原理。究竟這些精美的打印品如何通過3D打印出現(xiàn)在人們面前？

　　精美的3D打印成品

　　今天我們來揭示作為3D打印成型技術(shù)之一的熔融沉積成型技術(shù)（FDM）。FDM是“Fused Deposition Modeling”的簡寫形式，即為熔融沉積成型。搞懂FDM成型技術(shù)，首先我們需要轉(zhuǎn)變思維。通常2D打印是在一張紙上（一個(gè)平面上）完成打印，而3D打印是完成一個(gè)立體模型的打印。FDM，通俗來講就是利用高溫將材料融化成液態(tài)，通過打印頭擠出后固化，最后在立體空間上排列形成立體實(shí)物。

　　平面數(shù)軸（左）立體數(shù)軸（右），3D打印是完成立體模型的打印工作

　　FDM是目前3D打印機(jī)使用較廣的技術(shù)，同時(shí)FDM成型技術(shù)已被Stratasys公司注冊專利?；贔DM成型技術(shù)的機(jī)型在中國甚至世界3D打印機(jī)市場占有較大的比例。較為著名的FDM 3D打印機(jī)有MakerBot Replicator系列、3D Systems的Cube系列、太爾時(shí)代UP！系列、弘瑞3D打印機(jī)等。

　　FDM 3D打印機(jī)

　　當(dāng)然作為成型技術(shù)的FDM同其它成型技術(shù)相比有其固有的優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：成型精度高、打印模型硬度好、多種顏色。缺點(diǎn)：成型物體表面粗糙。

　　當(dāng)我們了解FDM 3D打印技術(shù)的時(shí)候，我們便不會(huì)再云里霧里了。其實(shí)，F(xiàn)DM成型技術(shù)較為簡單，只要我們仔細(xì)想象一下便會(huì)明白其中的內(nèi)涵。那么，一件件精致美觀的3D打印品需要經(jīng)過哪些步驟出爐的？下一頁，我們將了解3D打印的成型過程。

　　FDM 3D打印技術(shù)來源及工藝

　　●FDM歷史來源及成型過程

　　先從熔融沉積成型技術(shù)的歷史來源說起。FDM技術(shù)出現(xiàn)在二十世紀(jì)八十年代末期。1988年，科特克魯姆普發(fā)明了FDM（熔融沉積成型技術(shù)），次年科特克魯姆普成立了Stratasys公司。1992年，第一臺基于熔融沉積成型技術(shù)的3D打印產(chǎn)品出售。FDM成型技術(shù)已被Stratasys公司注冊專利。

　　FDM成型原理相對簡單，打印之前FDM 3D打印機(jī)內(nèi)置軟件自動(dòng)讀取3D模型數(shù)據(jù)并將其分層。分層之后，經(jīng)過高溫熔化的液態(tài)通過打印頭擠出，擠出后遇冷迅速凝結(jié)固化，然后通過打印頭在平面上的擺動(dòng)以及打印板向下位移形成立體實(shí)物。

　　FDM成型原理，打印頭實(shí)現(xiàn)一個(gè)平面上的移動(dòng)，打印平臺上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)分層

　　3D打印需要經(jīng)過3D掃描、3D建模的過程，最終完成3D打印成品。當(dāng)然，基于FDM成型技術(shù)的3D打印機(jī)也不例外。除去3D掃描、3D建模過程，就3D打印本身而言，F(xiàn)DM成型技術(shù)一般經(jīng)過以下環(huán)節(jié)。首先FDM軟件對3D模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、分層，生成打印路徑以及支撐路徑。其次，打印頭和打印平臺會(huì)升至3D模型設(shè)置的溫度。

　　打印頭（左上）打印平臺（下方），打印開始后打印平臺從上向下運(yùn)動(dòng)

　　最后，打印過程中，打印頭在平面上的位移以及打印平臺上下位移會(huì)形成一個(gè)三維空間，打印頭和打印平臺根據(jù)生成的路徑進(jìn)行打印。在打印過程中，打印頭完成一個(gè)平面上的打印任務(wù)后，打印平臺自動(dòng)下降一層，打印頭繼續(xù)打印。循環(huán)往復(fù)直至成品的完成。

　　打印頭，打印時(shí)熱熔的液體會(huì)從中間細(xì)小的孔徑擠出

　　FDM 3D打印機(jī)打印過程，當(dāng)打印頭完成一個(gè)層面上的打印后，打印平臺自動(dòng)向下降，直到成品的完成