什麼是FDM 3D列印？它的工作原理是什麼？

熔融沈積成型（FDM）是目前最常見的3D列印技術之一。該技術使用熱塑性材料製成的絲材作為原料。本文將解釋FDM 3D列印的基本原理，描述其工作原理、完整的工藝流程以及材料選擇。

什麼是 FDM 3D 列印？

熔融沈積成型（FDM）使用熱塑性材料製成的長絲作為原料。長絲被加熱熔化，然後液態材料透過列印頭上的細噴嘴擠出。擠出後，材料沉積到成型平台或先前固化的層上。當溫度降至熔點以下時，材料開始固化。最終部件是透過逐層堆疊材料而形成的。

熔融沈積成型技術是如何運作的？

在介紹熔融沈積成型3D列印機的工作原理之前，我們可以先想像這個場景：

你手持一支加熱過的牙膏管。管內的牙膏呈液態，但當你擠出來時，它會立即凝固。然後你將牙膏管倒置，像用毛筆書寫一樣，水平移動手臂，將牙膏擠到桌面上。完成桌面上第一層的擠出後，你將牙膏管稍微抬高，繼續擠出第二層。此時，新擠出的牙膏會黏附在先前的牙膏上，而先前擠出的牙膏會凝固，為後續擠出的牙膏提供支撐。最後，你重複上述過程，直到擠出想要的形狀。這其實就是FDM（熔融沈積成型）技術的基本原理，也是市面上新出現的3D列印筆的工作原理。

基於這個基本原理，工程師首先將原料加工成特定直徑的圓形絲狀物。然後，絲狀原料透過送絲機構逐步送入熱端。在熱端，材料被加熱熔化。熱端下方是列印頭，印字頭底部有一個細小的噴嘴（直徑通常為0.2至0.6毫米）。後續絲狀物的擠出壓力將熔融狀態的液態材料推出。

由於製程需求，3D列印機啟動前通常需要先設定層間距、路徑寬度等基本資訊。然後切片引擎對三維模型進行切片，產生列印路徑。接下來，在主機軟體和印表機的控制下，列印噴嘴根據水平層資料沿著X軸和Y軸方向進行平面運動，而Z軸方向的垂直運動則由建造平台完成。同時，送絲組件將耗材送至噴嘴。耗材加熱熔化後，加熱溫度通常設定在略高於原料熔點的水平位置。這樣，當耗材從噴嘴擠出並與建造平台結合時，就能快速冷卻固化，使列印材料與前一層快速融合。每層列印完成後，建造平台下降一層厚度，印表機繼續列印下一層。如此反复，直至整個設計模型列印完成。

FDM製程的關鍵在於保持噴嘴擠出的熔融原料溫度略高於凝固點，通常控制在比凝固點高約1℃。溫度過高會導致列印模型精度低、變形等問題。而溫度過低或不穩定則容易造成噴嘴阻塞，導致列印失敗。

熔融沈積成型工藝

熔融沈積成型製程可分為5個步驟： 建立 3D 模型 >> 轉換為 STL 檔案 >> 切片 >> 列印 >> 後處理。

1. 建立3D模型

通常，設計師會根據產品需求，透過電腦輔助設計軟體繪製所需的三維數位模型。常用的設計軟體主要包括Pro/Engineering、Solidworks、MDT、AutoCAD、UG等。

2. 將模型轉換為 STL 格式

通常，設計精良的模型表面會有許多不規則的曲面。列印前，必須對這些曲面進行近似擬合。目前最常用的方法是將其轉換為STL格式並儲存。 STL格式是由美國3D Systems公司為3D列印設備設計的檔案格式。它使用一系列相互連接的小型三角形平面來近似曲面，從而獲得可以快速列印的三維近似模型檔案。大多數常用的CAD設計軟體都具備匯出STL格式檔案的功能，例如Pro/Engineering、Solidworks、MDT、AutoCAD、UG等。

3. 將模型切片並加入支撐

由於3D列印是將模型分解，然後根據層截面逐層製造，最後循環組裝而成，因此，STL格式的三維模型必須先進行切片，轉換為3D列印設備可以處理的層狀模型。目前市面上各種3D列印設備都配備了各自的切片處理軟體。完成基本參數設定後，軟體即可自動計算模型的截面資訊。

4. 開始列印

根據前文介紹的FDM列印原理，可以想像，對於一些大跨距結構，系統必須在產品中加入支撐結構。否則，當上層截面相對於下層截面急劇增大時，後續列印的上層截面的一部分會懸空，導致截面局部坍塌或變形，嚴重影響列印模型的成形精度。因此，最終列印模型通常包含支撐部分和實體部分兩部分。切片軟體會根據待列印模型的不同形狀自動計算並決定是否要添加支撐結構。

同時，支撐結構還有另一個重要用途：建立基礎層。也就是說，在正式列印之前，先在建置平台上列印一個基礎層，然後再將模型列印在這個基礎層上。這可以使列印模型的底部更加平整，也使成品模型更容易剝離。因此，製作支撐結構是FDM列印的關鍵步驟之一。一個好的基礎層可以為整個列印過程提供精確的參考平面，從而確保列印模型的精確度和品質。

5. 支撐移除和後處理

對於FDM成型的模型，後處理主要包括移除模型的支撐結構和打磨外表面。首先需要移除實體模型的支撐部分，然後打磨實體模型的外表面，使最終模型的精度和表面粗糙度符合要求。

然而，根據實際生產經驗，採用FDM技術在複雜精細結構上製作的模型，其支撐結構難以在不影響模型本身的情況下完全去除，容易損傷原型表面，從而對模型表面質量造成較大影響。為了解決這個問題，3D列印巨頭Stratasys於1999年研發了一種水溶性支撐材料。透過用溶液沖洗列印模型，即可在不損傷實體模型的前提下溶解支撐材料，有效解決了這個問題。然而，目前國內自主研發的FDM列印設備尚無法實現這一點，列印模型的後處理仍是一個相對複雜的過程。

熔融沈積成型中所使用的材料

目前最常用的耗材主要包括ABS、PLA、人造橡膠、蠟和聚酯熱塑性塑膠。有些設備需要使用兩種材料：一種是用於列印實體零件的成型材料；另一種是用於填充空腔或懸臂零件的支撐材料。

與其他3D列印技術相比，FDM列印可用的原料範圍相對較廣。在選擇模型實體部件的材料時，主要需要考慮以下因素：

• 黏度：黏度越低，阻力越小，這有助於形成，並使其更不容易堵塞噴嘴。
• 熔點：熔點溫度越接近室溫，列印功耗越小，有助於提高機器的機械壽命，減少熱應力，進而提高列印精度。
• 黏合力：材料的黏合力決定了列印件各層之間的連接強度。
• 收縮率：材料的收縮率越小，印刷品的精確度就越有保證。

對於支撐材料，FDM製程主要有以下要求：

• 根據不同的固體材料，支撐材料必須能夠相應地承受一定的高溫。
• 為了便於後續處理，支撐材料和固體材料之間不應有潤濕現象。
• 就像固體材料一樣，它也需要良好的流動性。
• 最好具備水溶性或酸溶性等特性。
• 熔點越低越好。

典型設備

FDM列印所用材料通常為熱塑性塑料，例如蠟、ABS、PC、尼龍等。標準列印材料一般為線材，材料成本通常較低。國產ABS或PLA的單價大多在100元人民幣（約15美元）以內。此外，與使用粉末和液體材料的列印設備相比，線材更清潔，更易於更換和存儲，且列印過程中不會產生粉末或液體污染。

市面上有許多熔融沈積成型（FDM）3D列印機，尤其是針對一般消費者的桌上型印表機。這幾乎就是熔融沈積成型技術的全部了。其中最知名的幾款，例如MakerBot的Thing-O-Matic、Replicator系列印表機以及3D Systems的Cube印表機，都是採用FDM技術的入門3D列印機。

容差和容量

在 Getzshape，我們 3D打印服務 我們涵蓋四大主要技術：SLA、SLS、SLM 和 FDM。我們的 FDM 3D 列印公差和產能如下所示。

FDM列印零件的表面處理

• 三鼎：這是FDM列印零件表面處理的一個基礎且重要的步驟。它使用不同粒度的砂紙去除可見的層紋，使表面更加光滑。
• 油漆首先，將表面打磨光滑。然後塗上底漆，以增強油漆的附著力。之後，噴塗或刷上色漆。塗裝可以完全遮蓋層紋，使零件呈現美觀的色彩，並使表面看起來光滑。它廣泛應用於展示模型、原型和最終產品。
• 拋光：使FDM零件表面光滑亮澤。經過基礎打磨後，使用專用拋光劑或工具對錶面進行拋光。此過程可去除細小刮痕，使零件呈現光澤。拋光對PLA和ABS等材質效果尤佳。
• 蒸氣平滑這是一種特殊的化學表面處理方法，主要用於ABS零件。將列印好的零件放置在充滿溶劑蒸氣的密閉容器中。蒸氣會輕微融化零件表面，使層紋融合，變得光滑。處理後，零件表面非常光滑亮澤，看不到明顯的層紋。