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(duì)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。

告別神秘感 揭秘3D打印技術(shù)之FDM原理

●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(jiǎn)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(cè)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(chǎng)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(jiǎn)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(tái)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(cè)專利。

    FDM成型原理相對(duì)簡(jiǎn)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(tái)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(duì)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(tái)會(huì)升至3D模型設(shè)置的溫度。

打印頭（左上）打印平臺(tái)（下方），打印開始后打印平臺(tái)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(tái)上下位移會(huì)形成一個(gè)三維空間，打印頭和打印平臺(tái)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(tái)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(tái)自動(dòng)向下降，直到成品的完成

    在打印過程中，插入打印頭的線材會(huì)迅速融化，通過打印頭擠出瞬間凝結(jié)。打印頭溫度較高，根據(jù)材料的不同以及模型設(shè)計(jì)溫度的不同，打印頭的溫度相對(duì)也不同。為了防止打印物體翹邊等問題的出現(xiàn)打印平臺(tái)一般為加熱，打印平臺(tái)上一般覆蓋粘貼紙以便于打印成品的剝離。

●FDM 3D打印機(jī)的線材及應(yīng)用領(lǐng)域

    線材是流淌在FDM 3D打印機(jī)體內(nèi)的血液，3D打印成品是線材熱熔后的分層疊加?；贔DM成型技術(shù)的線材種類較多，常見的為ABS、PLA等。

紅色的線材，線材可在顏色上進(jìn)行分類

    隨著3D打印成品增多以及3D打印技術(shù)的進(jìn)步，耗材商以及3D打印機(jī)制造商不斷開拓可用作3D打印的線材。9月，一款類似金屬效果的3D打印耗材copperFill推出。10月，一款硬度比之前線材較高的PLA HS線材誕生?？捎米?D打印的材料不斷推陳出新，有些是在原有線材加入各種配料，制作出的線材具備新的屬性，有些則是開發(fā)出的新材質(zhì)的線材。

copperFill線材，打印出來的效果類金屬 圖源：colorfabb.com

    FDM成型技術(shù)的線材有很多，例如：ABS、PLA、尼龍、木質(zhì)，甚至食物。隨著時(shí)間的推移，越來越多的3D打印機(jī)生產(chǎn)廠家開始投身線材制作。相比通用線材制造商，3D打印機(jī)生產(chǎn)廠家推出的線材更加適用于該廠家生產(chǎn)的3D打印機(jī)。大部分線材在直徑上有1.75mm、3.0mm兩種規(guī)格。

將線材頭插進(jìn)打印頭中，線材可有不同顏色以及不同直徑

注：線材頭插入打印頭時(shí)，可通過點(diǎn)擊“一鍵進(jìn)料”使線材固定牢靠。

    FDM較傳統(tǒng)制作方法有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。首先，可制造較為精細(xì)的機(jī)械零部件。其次，量產(chǎn)的打印物品可在一定程度上降低生產(chǎn)成本。受價(jià)格越來越低、打印成本越來越低、操作越來越簡(jiǎn)單等因素，基于FDM成型技術(shù)的3D打印機(jī)越來越被消費(fèi)者所接受。目前，3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域較多，醫(yī)療、建筑、運(yùn)輸、航天、考古、教育以及工業(yè)制造等領(lǐng)域都有涉及。

娛樂

跳棋

●由于應(yīng)用領(lǐng)域較廣，筆者在這里不一一列舉，具體應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃谙乱豁撘詧D示的形式展現(xiàn)

寫在后面的話：FDM即為熔融沉積成型是3D打印技術(shù)的一種，其在3D打印領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。FDM成型技術(shù)主要依靠打印頭和打印平臺(tái)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)三維立體模型的構(gòu)建。在整個(gè)3D打印過程中，線材扮演著至關(guān)重要的地位，是整個(gè)打印模型的構(gòu)成物質(zhì)。關(guān)于應(yīng)用，F(xiàn)DM 3D打印機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域較廣而且其在不斷突破自身的限制，在更多、更廣的領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)著更多的可能性。

●FDM 3D打印機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域圖賞

家居用品

盒子（左），涼亭樣式的燈（中），茶壺（右）

娛樂

哨子，根據(jù)打印材料顏色的不同哨子的顏色也不一

交通

3D打印汽車Strati，相當(dāng)拉風(fēng) 圖源：3dprint

醫(yī)療

3D打印下頜骨 圖源：xilongtoy.com

    FDM 3D打印機(jī)有很廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，創(chuàng)造了很多和生活十分接近的3D打印品，同樣3D打印技術(shù)也被用于航空航天領(lǐng)域、衛(wèi)星制造等多種領(lǐng)域。