
熔融沉积成型 (FDM) 是一种材料挤压 3D 打印工艺。它的工作原理是将热塑性长丝送入加热的喷嘴中,在喷嘴中它会熔化并沿着编程的工具路径逐层沉积以构建零件。从本质上讲,FDM 打印机的工作原理很像计算机控制的热胶枪,挤出细小的熔融塑料珠,然后迅速固化形成三维物体。
FDM 是使用最广泛的 3D 打印方法,特别是在消费者和教育层面。拥有全球最大的打印机安装基数,这通常是人们在谈论 3D 打印时首先想到的过程。您可能还会看到这个词熔丝制造 (FFF)可以互换使用。由于“FDM”是 Stratasys 拥有的商标,开源 3D 打印社区采用“FFF”作为中性替代品;实际上,这两个术语描述的是相同的基于挤出的工艺。
本文介绍了 FDM 的基础知识,包括其优缺点以及台式机和工业机之间的差异。它还涵盖了常见的印刷塑料以及 FDM 最适合的情况。
虽然 FDM 是现在最流行的 3D 打印方法,但它并不是第一个被发明的。事实上,它是在立体光刻 (SLA) 和选择性激光烧结 (SLS) 之后出现的。 Scott Crump 于 1989 年(SLA 三年后、SLS 一年后)申请了第一个 FDM 专利,并与他的妻子 Lisa 一起创立了 Stratasys,将该技术推向市场。
在整个 90 年代,Stratasys 拥有关键专利,并将 FDM 主要用于工业原型设计。 2005 年,RepRap(复制快速原型机)项目带来了重大转变,这是 Adrian Bowyer 发起的一项开源计划,旨在创建自我复制打印机。当核心 FDM 专利于 2009 年到期时,这一运动为 MakerBot、Ultimaker 和 Prusa Research 等公司的出现铺平了道路,使桌面打印机成为业余爱好者和教育工作者买得起的产品。
到 2010 年代,Stratasys 的工业系统和受开源运动启发的公司的消费打印机共同将 FDM 确立为世界上使用最广泛的 3D 打印技术。

如今,这种演变催生了两大类机器:用于专业生产的工业系统以及用于消费者和教育工作者的桌面打印机。它们的主要区别总结如下:
| 财产 | 工业FDM | 桌面FDM |
| 标准精度 | 约±0.2–0.3毫米 | 约±0.2–0.5毫米 |
| 典型层厚 | 0.15–0.3 毫米 | 0.1–0.25 毫米 |
| 最小壁厚 | 〜1毫米 | ~0.8–1 毫米 |
| 最大构建体积 | 大(例如,900 × 600 × 900 毫米) | 中型(例如,200 × 200 × 200 毫米) |
| 常用材料 | ABS/ASA、PC、尼龙、ULTEM | PLA、ABS、PETG、TPU |
| 支持材料 | 分离和溶解 | 相同材料或可溶(双挤出机) |
| 生产能力 | 低-中;可重复批次 | 低的;原型和一次性产品 |
| 机器成本 | $50,000+ | $500–$5,000 |

FDM 打印机通过以下步骤将数字设计转化为物理对象:
3D 建模:该过程从数字模型开始,通常使用 CAD 软件创建或从 3D 库下载。模型以如下格式导出STL或 OBJ,定义对象的几何形状。
切片:切片软件将 3D 模型转换为二维层的堆栈,并生成打印机将遵循的刀具路径。它还添加了对悬伸的任何必要支持,并输出包含打印指令的 G 代码文件。在此阶段选择关键设置,例如层高、打印速度、填充密度和支撑位置,这些设置直接影响打印质量和持续时间。
打印机设置:将长丝线轴装入挤出机,挤出机将材料送向热端。打印平台板经过清洁和调平,以确保第一层具有适当的粘附力,对于 ABS 等材料,通常会对其进行预热以减少翘曲。
加热、挤出和层沉积:当喷嘴达到目标温度时,挤出机将细丝推入加热头,使其熔化。挤出头安装在三轴运动系统(X、Y、Z)上,可精确引导喷嘴穿过构建区域。当打印头移动时,它会沿着预定路径将细细的熔融塑料丝挤出到打印板上。
每个新层都沉积在前一层之上。材料冷却凝固速度快;在许多情况下,连接在挤出头附近的冷却风扇会加速这一过程,特别是对于 PLA 等材料。为了填充更宽的区域,喷嘴会多次通过,直到完成该层。然后,构建平台下降或挤出头上升一层高度,机器开始下一层。这个循环重复数百或数千次,直到整个零件建成。
该材料几乎立即冷却并固化——通常借助风扇来更快地冷却 PLA 等材料。为了填充一个区域,喷嘴会多次通过,就像用记号笔在形状上着色一样。一旦完成一层,构建平台就会降低,或者挤出头会升高一层高度,然后重复该过程。零件从底部一层一层地堆积起来,直到完全成型。
支撑结构:对于悬挑或桥梁,打印机会生成支撑材料,以防止不受支撑的部分倒塌。这些支撑可以用相同的塑料打印,然后折断,或者如果打印机有多个喷嘴,则可以用辅助可溶解的细丝打印。
后处理:一旦沉积了最后一层,部件就会冷却并从打印平台上移除。大多数 FDM 打印只需要去除支撑,但如果需要更光滑的表面或增强的性能,可以应用额外的精加工步骤。
FDM零件常见的后处理方法包括:
无论是机器价格还是材料成本,FDM 通常都是最实惠的 3D 打印方法。桌面设备的价格从几百美元到几千美元不等,甚至许多工业 FDM 系统仍然比 SLA 或 SLS 同类系统便宜。长丝价格便宜,有多种品牌和类型可供选择,而且易于采购。这种低准入门槛使得 FDM 适合课堂、研究实验室和小型企业使用。
FDM 非常适合快速设计迭代。一个零件可以在几分钟到几个小时内打印出来,从而使团队可以在一夜之间从概念转变为物理原型。与需要较长固化或冷却周期的方法相比,FDM 缩短了交货时间并加速了产品开发。
FDM 支持广泛的热塑性塑料,从常见且经济实惠的选项(如 PLA、ABS 和 PETG)到工程级材料(如尼龙、聚碳酸酯和 TPU),甚至工业系统中的高性能聚合物(如 ULTEM 或 PEEK)。这种多功能性使工程师能够选择与最终产品的性能要求紧密匹配的材料。
与受槽或床尺寸限制的基于树脂或粉末的系统不同,FDM 机器只需通过扩大框架和运动系统即可进行扩展。这种可扩展性为 FDM 提供了明显的尺寸成本优势,并使其成为生产大型原型(例如汽车零部件或建筑模型)的实用解决方案。
操作 FDM 打印机非常简单:加载耗材,开始打印,完成后取出部件。后处理通常仅限于分离支撑物,这与需要清洗、固化和处理化学品的树脂印刷不同。许多 FDM 零件可立即使用,仅针对某些材料或应用需要额外精加工。另一个优点是颜色灵活性:由于细丝有多种色调,模型通常可以打印出最终的外观,而无需树脂打印通常需要的额外涂漆。

FDM允许用户调整填充密度和外壳厚度,平衡打印时间、材料消耗和机械性能。这种可调性意味着零件可以优化为轻量级原型或更强大的功能组件。在高端系统上,还可以使用可溶解的支撑材料,从而更容易处理复杂的几何形状并简化后处理。
FDM 使用的细丝会在需要的地方熔化并精确沉积,因此在打印过程中几乎不会浪费任何原材料。这与 SLS 或 MJF 等基于粉末的方法形成鲜明对比,在这些方法中,未使用的粉末需要处理,并且在多次循环后可能会降解。凭借可最大限度减少或消除支撑结构的智能设计,FDM 可以更加高效地使用材料。
FDM 构建具有可见图层线的对象,即使在精细设置(~0.1–0.2 毫米)下,曲面也会呈现“阶梯”效果。最小特征尺寸受到喷嘴直径(通常约为 0.4 毫米)的限制,因此很难实现非常小的细节或精确配合。因此,专业品质的外观或精度通常需要进行后处理:螺纹可能需要攻丝,孔可能需要铰孔,表面可能需要打磨、喷漆或蒸汽平滑以获得抛光效果。 FDM 还很难在没有额外密封的情况下生产完全水密或气密的零件。
由于零件是逐层制造的,因此 FDM 打印具有各向异性:沿 Z 轴明显较弱。层间的粘合不如层内的粘合牢固,使得部件在垂直于构建方向施加的应力下更容易分裂或分层。这限制了它们在机械关键应用中的性能,除非仔细优化零件方向和填充。
冷却过程中的热收缩可能会导致零件翘曲,导致边缘从打印平台上脱离或薄特征弯曲。 ABS 和尼龙尤其容易出现这种情况,通常需要加热床或封闭室。即使进行校准,实现高尺寸精度也很困难,公差通常约为 ±0.1–0.3 毫米。孔和精细细节通常需要调整或加工才能精确配合。
FDM 打印机需要用于陡峭超过 45° 的悬垂结构或长桥的支撑结构。这些支撑物会增加材料、延长打印时间,并且在移除时可能会留下瑕疵。复杂的内部几何形状可能无法打印,因为支撑会被困在里面。虽然带有可溶解支撑物的双挤出机提高了灵活性,但它们增加了成本并且仍然需要拆卸步骤。
尽管 FDM 支持许多热塑性塑料,但它仍然仅限于该类材料。金属和全陶瓷不能直接打印。 PEEK 或 ULTEM 等高性能聚合物需要非常高的喷嘴和腔室温度,因此只能在专用工业机器上使用。因此,每台 FDM 打印机只能处理整个材料系列的一部分。
由于 FDM 系统的简单性和成本驱动型设计,用户经常花时间调整床调平和喷嘴高度等设置,以实现一致的质量。对机械运动的严重依赖意味着需要定期维护——调整皮带张力、润滑导轨、清洁挤出机以及更换喷嘴或热端等部件。
打印质量很大程度上取决于耗材质量。长丝直径的尺寸公差差或成分不一致可能会导致挤出问题。此外,大多数长丝具有吸湿性;如果储存不当,它们会吸收空气中的水分,导致印刷过程中起泡、表面光洁度差或层附着力弱。

塑料行业几十年的发展创造了广泛的聚合物长丝,从日常塑料到特种工程聚合物。
解放军是桌面 FDM 打印机最常用的耗材。它是一种可生物降解的塑料(通常以玉米淀粉为基础),易于打印并生产出具有良好细节和表面质量的零件。当需要更高的韧性和耐温性时,ABS通常是选择。然而,ABS 更容易翘曲,通常需要加热床或加热室来防止角翘起。
另一种流行的选择是聚乙二醇,它结合了 PLA 的易打印性和 ABS 的耐用性。它提供了强度、柔韧性和耐化学性的良好平衡。
工业 FDM 机器另一方面,主要使用工程热塑性塑料,例如ABS,聚碳酸酯(PC), 和乌尔特姆 (爱德华王子岛)。这些材料通常包含添加剂来增强其性能,使其适合需要高冲击强度、热稳定性、耐化学性甚至生物相容性的苛刻应用。
下表总结了最常见 FDM 打印材料的主要优缺点和典型应用:
| 材料 | 优点 | 缺点 | 常见应用 |
| 解放军 | 易于打印;出色的细节和表面光洁度。生物基和最小翘曲。 | 脆;耐热性低(在~60°C 时变形)。不适合承重部件。 | 视觉原型、模型、教育、兴趣项目 |
| ABS | 坚固耐用;更高的耐温性(~100°C)。可以进行后处理(例如丙酮平滑)。 | 如果没有加热床/室,容易变形。散发烟雾(需要通风)。比 PLA 打印稍难。 | 功能原型、外壳、汽车零部件、消费品 |
| 聚对苯二甲酸乙二醇酯 | 良好的强度和层间附着力;印刷容易,翘曲低。防潮、耐化学腐蚀;通常食品安全。 | 刚性比 ABS 稍差;如果未调整设置,表面可能会吸引拉丝。 | 功能部件、容器、机械部件、家居用品 |
| 尼龙 (PA) | 高拉伸强度和韧性;耐磨、耐化学腐蚀。具有一定的灵活性(对于铰链)和出色的耐用性。 | 吸收水分(长丝必须保持干燥)。需要高打印温度和外壳以减少翘曲。 | 齿轮、轴承、夹子、夹具和固定装置、结构原型 |
| TPU(柔性) | 非常柔韧和有弹性——可以制造类似橡胶的零件。良好的冲击吸收能力。 | 难以快速准确地打印(需要慢速打印)。软丝可能会堵塞某些并非专为柔性材料设计的挤出机。 | 垫圈、密封件、手机壳、车轮/轮胎、医疗模型 |
| 聚碳酸酯(PC) | 优异的冲击强度;更高的耐热性(~110°C)。适用于坚硬的功能部件。 | 需要较高的打印机温度;如果冷却太快,容易变形/开裂。通常需要封闭式工业级打印机。 | 工业工具、防护罩、汽车零部件 |
| 聚乙烯醇/聚醚醚酮 | 高性能:强度重量比高、阻燃,工作温度可达 ~170 °C。用于航空航天、汽车。 | 材料非常昂贵;由于极端的温度要求,只能在高端机器上打印。 | 航空航天零件、汽车引擎盖下零件、医疗设备 |
鉴于所讨论的优点和局限性,以下是一些典型案例,与其他方法相比,FDM 是最合适的选择:
成本或速度是首要考虑的问题:如果您需要快速且廉价地获得原型,那么 FDM 是无可比拟的。您可以在同一天从 CAD 转换为物理零件,而无需花太多钱。非常适合早期原型设计、学生项目和业余爱好构建,在这些情况下,负担得起的迭代比完美更重要。
零件尺寸较大:大幅面 FDM 打印机可以处理成本极高或无法在树脂桶或粉末床中处理的零件。考虑建筑模型、全尺寸外壳或大型功能原型 - FDM 可以更轻松地以更低的成本进行扩展。
真实塑料中的功能原型:当您需要原型的性能类似于生产塑料部件时(例如,必须弯曲而不断裂的夹子或必须耐热的安装座),采用 ABS、PC 或尼龙的 FDM 是理想选择。这些零件可以在树脂打印可能失败的工作条件下进行钻孔、拧紧和测试。
定制工具、夹具或替换零件:FDM 擅长生产根据特定需求定制的一次性或小批量零件。用于组装的定制夹具?设备的更换旋钮?连夜打印并投入使用。对于许多中等强度的用途,FDM 打印件可以作为真正的最终用途零件。
教育和家庭环境:FDM 是教室、创客空间和家庭中最用户友好且安全的 3D 打印选项。 PLA 和类似的细丝易于处理,让学习者能够专注于设计和工程。每个零件的低成本也鼓励实验和迭代。
当后处理必须最少时:如果您需要直接从打印机打印出来的零件,无需额外工作,FDM 就适合您。只需移除支撑,零件就可以处理了。对于演示和研讨会,这种即时性使得 FDM 特别实用。
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当工程师谈论“压力”时,它们的意思与考试焦虑或工作压力截然不同。在这里,压力是材料中每单位区域的内力。伸展橡皮筋或在拔河船上拉绳子,您会看到拉伸压力在作用中,这种压力使材料在负载下伸长。 在本文中,我们解释了什么是拉伸应力,它与压力应力和拉伸强度,关键公式以及chiggo如何将这些考虑因素纳入现实世界制造业的方式有何不同。 什么是拉伸压力? 拉伸压力描述了当您尝试将其拉开时材料的反应。它导致材料沿施加载荷的轴伸长。正式地,它被定义为施加的力除以垂直于该力的横截面区域。 拉伸应力与压力应力 拉伸应力与压缩应力相反。当力起作用伸展或延长物体时,会发生拉伸应力,而当力挤压或缩短后,会发生压力。想象一下坚固的金属条:两端拉动,并且会遇到拉伸压力,略微拉长。将两端推动,好像试图沿其长度粉碎它,并且棒会遇到压力,缩短或凸起。 这些应力也可以同时在结构的不同部分发生。例如,当人或机器在混凝土地板板上移动时,平板的顶部表面被推入压缩,而底部表面则以张力拉伸。如果底部的拉伸应力太高,则可能会出现裂缝 - 这就是为什么工程师将钢筋放在那里抵抗张力的原因。 拉伸应力与拉伸强度 拉伸应力材料在给定时刻所经历的负载是每单位面积的力。它会根据施加力而升高和下降。抗拉强度相比之下,是固定材料的特性,它是材料在产生或断裂之前可以应付的最大拉伸压力。 实际上,工程师不断比较两者。如果零件中的实际拉伸应力保持在其拉伸强度以下,则该零件将略微伸展但保持完整。如果压力超过强度,则会发生故障。这就是为什么设计始终包括安全余量,确保现实压力远低于所选材料的已知强度的原因。 拉伸应力公式 拉伸时,拉伸应力在其拉伸时测量内力。它以一个简单的公式计算: σ= f / a 在哪里: σ=拉伸应力(在Pascals,MPA或PSI中) F =施加力(纽顿或磅) a =横截面区域(以mm²或英寸为单位) 这个方程告诉我们拉力的集中力量。较高的负载或较小的横截面会产生较高的应力。例如,悬浮在细线上的相同重量会产生比厚电缆上的压力要大得多。这就是为什么工程师大小的电缆,杆或横梁以保持压力远低于所使用材料的安全限制的原因。 但是,尽管这种公式给了我们压力的数值,但并未揭示材料本身将如何响应。它会突然突然折断,永久弯曲还是弹簧回到原始形状?为了回答这一点,工程师依靠压力 - 应变曲线。 了解应力应变曲线 为了创建应力 - 应变曲线,将测试标本(通常是Dogbone形)放置在拉伸测试机中。机器握住各端,并逐渐将它们拉开,将样品拉伸至破裂。在此过程中,连续测量施加的应力和所得应力(相对于原始长度的长度变化)。 将结果用X轴的应变绘制,并在Y轴上的应力。在此曲线上,可以识别几个关键点: 弹性区域 起初,压力和应变是成比例的。这是弹性区域,其中胡克定律适用(σ=e猛)。该线性部分的斜率是弹性模量(Young的模量),一种刚度的度量。在该区域中,一旦卸下负载,材料将返回其原始形状。 产量点 随着加载的增加,曲线从直线偏离。这是产量点,弹性行为结束,塑性(永久)变形开始。除此之外,即使卸下负载,材料也不会完全恢复其原始形状。 终极拉伸强度(UTS) 曲线持续向上进入塑料区域,达到峰值。这个最高点是最终的拉伸强度(UTS),它代表材料在颈部(局部变薄)开始之前承受的最大压力。 断裂点 在UTS之后,曲线随着样品颈的倾斜而向下倾斜,无法再承担那么多的负载。最终,材料在断裂点断裂。对于延性材料,由于颈部,骨折的应力通常低于UTS。对于脆性材料,裂缝可能会突然发生在弹性极限附近,而塑性变形很小。 拉伸压力的实际应用 在材料被拉,悬挂或拉伸的任何情况下,拉伸压力决定了它是否可以安全地承担负载或是否会失败。以下是一些关键应用程序和示例: 桥梁和建筑 想想悬挂桥,例如金门桥 - 悬挂在塔之间的巨大钢电缆处于恒定的拉伸压力下,支撑道路和车辆的重量。工程师为这些电缆选择高强度的钢,以便他们可以处理重负荷以及诸如风或地震等额外的力量而不会失败。现代建筑也巧妙地使用了紧张。例如,在预应力的混凝土中,钢质肌腱被嵌入并拉伸,以便梁可以安全地处理载荷。 电缆,绳索和链条 许多日常系统还直接依赖拉伸压力。以电梯为例:其钢电缆处于恒定的张力,不仅承载汽车的重量,而且还带有加速或停止时的额外力。起重机以相同的原理运行,使用高应答电缆安全地抬起和移动重载。即使在像吉他这样简单的东西中,拉伸压力也会发挥作用 - 越紧手起来钉子,琴弦的张力越大,这会使音高提高,直到推到太远的话,琴弦最终会破裂。 机器和螺栓 在机械工程中,拉伸应力同样重要。通过稍微拉伸飞机或汽车发动机工作中的螺栓和螺钉 - 由此产生的拉伸应力会产生将零件固定在一起的夹紧力。如果螺栓的压力过高(拧紧时扭矩过多或使用过多的负载),它可能会产生和失败,可能导致机器分开。这就是为什么螺栓通过表明其产量和拉伸强度的等级进行评分的原因,以及为什么将临界螺栓拧紧到指定的紧张局势的原因。 […]
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