什么是 FDM（熔融沉积成型）3D 打印？集线器解释

熔融沉积建模 (FDM) 3D 打印，也称为熔丝制造 (FFF)，是一种增材制造 (AM) 材料挤压领域内的工艺。 FDM 通过在预定路径中选择性地沉积熔化材料来逐层构建零件，并使用热塑性聚合物以细丝的形式出现。

FDM 是全球最大的桌面和工业级 3D 打印机安装基础，是使用最广泛的技术，并且可能是您在 3D 打印时想到的第一个工艺过来。

在本文中，我们将介绍这种流行的添加剂技术的基本原理和关键特性。我们还探讨了为桌面应用和工业应用构建的 FDM 机器之间的差异，并为工程师提供提示和技巧，以从 FDM 3D 打印中获得最佳结果。

阅读前观看：如何像专业人士一样使用 FDM 3D 打印制作原型

该视频详细介绍了如何使用 FDM 3D 打印进行快速原型制作。

FDM 3D 打印如何工作？

FDM 3D 打印机的工作原理是将熔化的灯丝材料逐层沉积在构建平台上，直到您完成零件。 FDM 使用上传到机器本身的数字设计文件并将其转换为物理尺寸。 FDM 材料包括聚合物，例如 ABS , 解放军 , PETG 和 PEI ，机器通过加热喷嘴将其作为螺纹喂入。

要操作 FDM 机器，首先将一卷这种热塑性长丝装入打印机。一旦喷嘴达到所需温度，打印机就会通过挤出头和喷嘴将细丝送入。

这个挤压头连接到一个三轴系统，允许它在 X、Y 和 Z 轴上移动。打印机将熔化的材料挤出成细丝，并沿着设计确定的路径逐层沉积。一旦沉积，材料就会冷却并固化。在某些情况下，您可以将风扇连接到挤出头以加速冷却。

要填充一个区域，需要多次通过，类似于使用标记为形状着色。当打印机完成一层时，构建平台下降，机器开始下一层工作。在某些机器设置中，挤出头向上移动。重复此过程，直到零件完成。

FDM 3D 打印机的打印参数是什么？

大多数 FDM 系统允许您调整多个过程参数。这些包括喷嘴和构建平台温度、构建速度、层高和冷却风扇速度。如果您是设计师，通常不必担心这些调整，因为 AM 操作员可能已经涵盖了这些。

但是，需要考虑的重要因素是构建尺寸和层高。桌面 3D 打印机的常见构建尺寸是 200 x 200 x 200 毫米，而工业机器的尺寸可以达到 1,000 x 1,000 x 1,000 毫米。如果您更喜欢使用台式机打印零件，您可以将大模型分解成较小的部分，然后重新组装 .

FDM 的典型层高范围在 50 到 400 微米之间。打印较短的层会产生更平滑的零件并更准确地捕捉弯曲的几何形状，尽管打印较高的层意味着您可以快速创建零件并且价格更低。

设计提示： 我们建议的明智折衷方案是打印 200 微米厚的层。想知道更多？查看我们关于 的文章 层高对 3D 打印部件的影响 .

桌面和工业 FDM 打印机有区别吗？

FDM 打印机通常分为两大类：工业（也称为专业）和桌面（也称为原型）机器。两种打印机等级都有不同的应用和优势，尽管这两种技术的主要区别在于它们的生产规模。

工业 FDM 3D 打印机，如 Stratasys 3D 打印机，远比台式机贵得多——台式机主要用于家庭和消费者使用——因此将它们用于您的定制零件将运行更高的标签。由于工业机器比桌面 FDM 打印机更高效、更强大，它们更常用于工具、功能原型和最终用途零件。

同样，工业 FDM 打印机可以比台式机更快地完成更大的订单。它们专为可重复性和可靠性而设计，可以在最少的人工干预下一遍又一遍地生产相同的零件。桌面 FDM 打印机几乎没有那么强大。对于台式机，您必须执行频繁的用户维护和定期校准。

在下表中，我们分解了典型桌面 FDM 机器和工业机器之间的主要区别。

属性	工业 FDM	桌面 FDM
标准精度	±0.15%（下限±0.2mm）	± 1%（下限：± 1.0 mm）
典型层厚	0.18 - 0.5 毫米	0.10 - 0.25 毫米
最小壁厚	1 毫米	0.8 - 1 毫米
最大构建范围	大（例如 900 x 600 x 900 毫米）	中等（例如 200 x 200 x 200 毫米）
常用材料	ABS、PC、ULTEM	PLA、ABS、PETG
支持材料	水溶性/分离型	与零件相同（通常）
生产能力（每台机器）	低/中	低
机器成本	$50000+	$500 - $5000

FDM 3D打印有哪些特点？

虽然 FDM 3D 打印机的挤压系统和您从各种机器获得的零件质量各不相同，但您可以从每个 FDM 打印过程中获得一些共同的特征。

翘曲

翘曲是 FDM 中最常见的缺陷之一。当挤压材料在凝固过程中冷却时，其尺寸会减小。由于打印部件的不同部分以不同的速度冷却，它们的尺寸也以不同的速度变化。差异冷却会导致内应力的累积，从而将下面的层向上拉，导致其翘曲。

有几种方法可以防止翘曲。一种方法是密切监控 FDM 系统的温度，尤其是构建平台和腔室。您还可以增加零件和构建平台之间的附着力以减轻翘曲。

在设计过程中做出某些选择也可以减少零件翘曲的可能性。举几个例子：

大而平坦的区域 - 就像您在矩形盒子上看到的那样 - 更容易翘曲。尽可能避免这些。
薄的突出特征——想想前叉上的叉子——也容易翘曲。在薄部件的边缘添加额外的导向或应力消除材料以增加与构建平台接触的区域有助于避免这种情况。
尖角比圆形更容易变形，因此我们建议在设计中添加圆角。
每种材料都有其自身的翘曲敏感性。例如，ABS 通常比 PLA 或 PETG 对翘曲更敏感。

层粘合

零件沉积层之间的牢固粘合在 FDM 中至关重要。当 FDM 机器通过喷嘴挤出熔融热塑性塑料时，这种材料会压在先前印刷的层上。高温和高压导致该层重新熔化并使其与前一层粘合。

并且由于熔融材料压在先前印刷的层上，因此其形状会变形为椭圆形。这意味着无论层高如何，FDM 零件始终具有波浪形表面被使用，并且那些小的特征，例如小的孔或线程 , 可能需要后处理。

支持结构

FDM 打印机无法在稀薄的空气中沉积熔融的热塑性塑料。某些零件几何形状需要支撑结构，通常使用与零件本身相同的材料印刷。

通常，移除支撑结构材料可能很困难，因此设计零件以最大限度地减少对支撑结构的需求通常要容易得多。可以使用溶解在液体中的支撑材料，但您通常将它们与更高端的 FDM 3D 打印机一起使用。请注意，使用可溶解支撑物会增加打印的总成本。

填充和壳厚度

为了减少打印时间并节省材料，FDM 打印机通常不生产实体零件。取而代之的是，机器在数次通过后追踪外周界（称为外壳），并用内部低密度结构填充内部（称为填充物）。

填充和壳厚度显着影响 FDM 打印部件的强度。大多数桌面 FDM 打印机具有 20% 的填充密度默认设置和 1 毫米的外壳厚度，这为快速打印提供了强度和速度之间的适当折衷。

下表总结了 FDM 3D 打印的主要特点。

	FDM
材料	热塑性塑料（PLA、ABS、PETG、PC、PEI 等）
尺寸精度	± 0.5% (下限± 0.5 mm) - 桌面 ± 0.15%（下限 ± 0.2 mm）- 工业
典型构建大小	200 x 200 x 200 毫米 - 桌面 900 x 600 x 900 毫米 - 工业
常用层厚	50 到 400 微米
支持	并不总是需要（可分解可用）

FDM 3D打印常用材料有哪些？

FDM（桌面和工业）的主要优势之一是该技术的材料范围广泛。这包括商品热塑性塑料，例如 PLA 和ABS , 工程材料如 PA, TPU 和 PETG 和高性能热塑性塑料，包括 PEEK 和 PEI .

PLA 灯丝是桌面 FDM 打印机中最常用的材料。使用 PLA 打印相对容易，并且可以生产具有更精细细节的零件。当您需要更高的强度、延展性和热稳定性时，通常使用 ABS。但是，ABS 更容易翘曲，特别是如果您使用的是没有加热室的机器。

桌面 FDM 打印的另一种替代方法是 PETG，它的成分和打印的容易程度可与 ABS 相媲美。所有这三种材料都适用于大多数 3D 打印服务应用，从原型制作到形状、配合和功能，再到模型或功能部件的小批量生产。

另一方面，工业 FDM 机器主要使用工程热塑性塑料，包括 ABS、聚碳酸酯 (PC) 和 Ultem。这些材料通常配备有添加剂，这些添加剂会改变它们的特性，使它们特别适用于工业需求，如高冲击强度、热稳定性、耐化学性和生物相容性。

用不同的材料打印会影响零件的机械性能和精度，以及成本。我们在下表中比较了最常见的 FDM 材料。

材质	特点
ABS	+ 好强度 + 良好的耐温性 - 更容易变形
解放军	+ 出色的视觉质量 +易于打印 - 低冲击强度
尼龙（PA）	+ 高强度 + 出色的耐磨性和耐化学性 - 耐湿性低
PETG	+ 食品安全* + 强度好 + 易于打印
TPU	+ 非常灵活 - 难以准确打印
PEI	+ 出色的重量强度 + 优异的防火和耐化学性 - 高成本