熔融沉积成型(FDM)工艺热传递机制与层间结合原理

admin 2 2025-08-16 09:43:59 编辑

FDM发展概况
    FDM中文全称为熔融沉积成型,是目前应用最为广泛的 3D打印技术, 该技术是美国 Stratasys 公司于上世纪八十年代末发明。1992 年该公司 推出世界上款基于 FDM技术的 3D打印机,标志着 FDM技术步入 商用阶段。2009年 FDM关键技术专利到期,各种基于 FDM技术的 3D 打印公司开始大量出现,行业迎来快速发展期。
FDM路径相关材料
   对于 3D打印而言,材料是关键所在,FDM技术路径涉及的材料主要包 括成型材料和支撑材料,根据技术特点,要求成型材料具有熔融温度低、 粘度低、粘结性好、收缩率小等特点;支撑材料要求具有能够承受一定 的高温、与成型材料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、具有较低的熔融 温度、流动性要好等特点。
FDM的应用
    FDM 应用领域包括概念建模、功能性原型制作、制造加工、最终用途 零件制造、修整等方面,涉及汽车、医疗、建筑、娱乐、电子等领域, 随着技术的进步,FDM的应用还在不断拓展。
FDM优点及存在的问题
      FDM 技术优点包括成本低、成型材料范围较广、环境污染较小、设备 及材料体积较小、原料利用率高、后处理相对简单等;缺点包括成型时 间较长、精度低、需要支撑材料等。
结论及展望
    与其他 3D打印技术相比,FDM技术不涉及激光、高温、高压等危险环 节,同时其体积也较小,是成本相对较低的 3D打印技术,能够大量应 用于家庭及办公室环境,随着关
键技术专利的到期,FDM 的各种应用 领域还在不断拓展,前景值得期待。

目 录
一、FDM概况 .............................................................................................................................................................................. 4
1、3D打印技术路径概况 .................................................................................................................................................... 4
2、FDM发展历程 ................................................................................................................................................................ 5
3、FDM工艺原理 ................................................................................................................................................................ 5
二、FDM路径相关材料 .............................................................................................................................................................. 7
1、成型材料 ......................................................................................................................................................................... 7
2、支撑材料 ....................................................................................................................................................................... 11
三、FDM的应用 ........................................................................................................................................................................ 12
1、概念建模 ....................................................................................................................................................................... 12
2、功能性原型制作 ............................................................................................................................................................ 13
3、制造加工 ....................................................................................................................................................................... 13
4、最终用途零件................................................................................................................................................................ 14
5、FDM应用案例 .............................................................................................................................................................. 14
四、FDM优点及存在的问题 .................................................................................................................................................... 15
1、具有的优点 ................................................................................................................................................................... 15
2、存在的缺点 ................................................................................................................................................................... 15
3、与其他 3D打印技术的对比 ......................................................................................................................................... 16
五、结论及展望 .......................................................................................................................................................................... 16

图表目录
图表  1:FDM成型过程 ................................................................................................................................................. 6
图表  2:FDM工艺原理简图 ......................................................................................................................................... 6
图表 3:某型号 3D打印机正面 ...................................................................................................................................... 7
图表 4:某型号 3D打印机背面 ...................................................................................................................................... 7
图表  5:FDM技术对成型材料的要求 ........................................................................................................................... 7
图表  6:ABS价格走势 .................................................................................................................................................. 9
图表  7:PC价格走势 .................................................................................................................................................... 9
图表  8:PC价格走势 .................................................................................................................................................. 10
图表 9:丁苯橡胶价格走势 ......................................................................................................................................... 11
图表 10:天然橡胶价格走势 ....................................................................................................................................... 11
图表  11:FDM技术对成型材料的要求 ....................................................................................................................... 11
图表  12:建筑建模案例展示 ....................................................................................................................................... 13
一、FDM概况
1、3D打印技术路径概况
     3D打印(3D Printing)技术,是在计算机控制下,基于“增材制造”原理, 立体逐层堆积离散材料,进行零件原型或最终产品的成型与制造的技术。该技 术以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,将 3D 实体变为若干个 2D 平面,利用激光束、电子束、热熔喷嘴等方式将粉末、热 塑性材料等特殊材料进行逐层堆积粘结,最终叠加成型,制造出实体产品。

经过几十年的发展,目前已经开发出多种 3D 打印技术路径,从大类上划 分为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型和其他成型几大类,基础成型主要 代表技术路径为熔融沉积成型(FDM);粒状物成型技术路径主要包括电子束 熔化成型(EBM)、选择性激光烧结(SLS)、三维打印(3DP)、选择性热烧 结(SHS)等;光聚合成型主要包括光固化(SLA)、数字光处理(DLP)、聚 合物喷射(PI);其他技术包括激光熔覆快速制造技术(LENS)、熔丝制造(FFF)、 融化压模(MEM)、层压板制造(LOM)等。

其中 FDM、SLA、LOM、SLS、3DP为主流技术,熔融沉积成型 FDM工 艺一般是热塑性材料,以丝状形态供料。材料在喷头内被加热熔化,喷头沿零 件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的材料挤出,材料迅速凝固,并与周 围的材料凝结;

光固化快速成形 SLA,又称立体光刻、光成形等,是一种采用激光束逐点 扫描液态光敏树脂使之固化的快速成型工艺;


叠层实体制造 LOM 工艺是快速原型技术中具有代表性的技术之一,是基 于激光切割薄片材料、由黏结剂黏结各层成形;


选择性激光烧结 SLS工艺,是采用红外激光作为热源来烧结粉末材料,并 以逐层堆积方式成形三维零件的一种快速成形技术;



3DP工艺与 SLS工艺类似,采用粉末材料成形,如陶瓷粉末,金属粉末。 所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的,而是通过喷头用粘接剂将零件 的截面“印刷”在材料粉末上面。

2、FDM发展历程

熔融沉积成型(FDM,Fused Deposition Modeling)是上世纪八十年代末, 由美国 Stratasys 公司发明的技术,是即光固化快速成型(SLA)和叠层实体 快速成型工艺(LOM)后的另一种应用比较广泛的 3D 打印技术路径。1992 年,Stratasys公司推出了世界上台基于 FDM技术的 3D打印机——“3D 造型者(3D Modeler)”,这也标志着 FDM技术步入商用阶段。由于 FDM工 艺不需要激光系统支持,成型材料多为 ABS、PLA等热塑性材料,因此性价比 较高,是桌面级 3D打印机广泛采用的技术路径。
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