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摘 要：简单介绍了熔融沉积快速成型技术（FDM）的原理、发展过程及其应用，并展望了FDM快速成型技术的未来前景。
关键词：FDM;快速成型;3D打印
1 前言
熔融沉积快速成型是继光固化快速成型和叠层实体快速成型工艺后的另一种应用比较广泛的快速成型工艺。该技术是当前应用较为广泛的一种3D打印技术，同时也是最早开源的3D打印技术之一，随着材料的开发，FDM技术的应用范围越来越广，涉及的领域也越来越多，本文将会从FDM快速成型技术的原理、其发展过程，其应用等方面进行介绍，分析FDM快速成型技术的前景。
2 FDM快速成型技术的基本原理
熔融沉积又称熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤压出来。从数学方面看，FDM堆砌过程实质上是一个三维积分过程，即计算机控制成型设备以dz的层厚在各个Z高度上进行平面积分。在各个Z 高度上的平面积分，则由计算机按零件的截面形状，将dx（或dy）变形处理为适合于设备进行填充运动的积分形式。由成型设备以各z高度上截面形状填充出的以dZ为高度的薄层，在z方向上叠加堆砌出零件的近似实体。 从物理方面看，材料通过送料机构进给，在通过打印喷头时受热熔化并挤出，当喷头沿工件内外截面轮廓和内部填充轨迹运动时，挤出的材料迅速固化，并与已固化的材料粘结，逐层堆积，形成实体工件。
3 FDM快速成型技术的发展过程
自1988年斯科特.克伦普研发了熔融沉积成型（FDM）技术以来，FDM技术就一直在优化，本文将从流道形状设计、喷嘴、打印材料几个方面介绍FDM技术的发展历程。
3.1 FDM流道形状的设计
流道形状关乎产品形成速度、精度，因而设计出一个最佳形状的流道非常重要。
Wang等[4]针对喷嘴形状提供了5设计理念。闵畅[5]提出将流道最前端加长，通过增大内壁面积，加大熔体对内壁粘附力，阻止打印材料停止打印时在挤压力作用下向下滴落的现象。Han等研究了混色熔体在Y型流道中流动情况，结果表明熔体在流道中具有复杂的流动行为，且容易在流道交叉处发生堵塞现象。MOSTAFA等分别从二维和三维角度数值模拟了复合材料是如何在90 °弯管流道中进行流动，其研究结果为复合材料熔体流动模型的建立和参数的优化提供了有价值的信息。
学者多以理论建模为主，例如二维、三维建模，实际试验为辅对流体流动进行研究，不断优化流道的形状，设计出最合适的流道结构。
3.2 FDM喷嘴研究进展
材料熔融之后被挤压到喷嘴处，控制系统控制堆积过程至产品成型。喷嘴处的温度、结构及材料会影响流体的流动行为，从而使产品的表面精度，很多国内外研究学者对喷嘴进行了大量研究。
喷嘴处温度降低会引起喷嘴处熔体堵塞，喷嘴处温度的高低决定了熔丝的黏度、挤出丝的流量、材料的粘结性能、堆积性能以及挤出丝的宽度。
吴明星等提出在喷嘴处增加加热孔和温度传感器，能严格控制喷嘴处的温度，在打印过程中能让喷嘴稳定出料。贾永臻模拟分析发现温度骤降会引起喷嘴堵塞问题，提出在喷嘴处添加保温措施是避免熔体堵塞喷嘴的有效手段。针对喷嘴位置的材料研究，刘晓军提出将喷嘴材料从铝青铜改为铍青铜，可以使喷嘴温度分布趋于均匀，熔体稳定流动，减小熔体在喷嘴内打滑现象，降低熔体堵塞喷嘴的可能性。
3.3 用于FDM打印的材料
目前用于FDM打印的材料多是PLA與ABS等低熔点单一聚合物，虽然可以打印出各种产品零件，但是材料的机械性能和功能有限，因而需要开发出更好性能来解决材料的局限性，能够使FDM打印适应更多领域的应用。
随着低熔点聚合物在FDM中的不断优化，研究人员已经开始研究具有高化学性能和高耐热性的高性能聚合物材料，如聚乙烯亚胺（ PEI）、聚醚酮（ PEKK）、聚苯乙烯（ PS）和聚醚醚酮（ PEEK）。印机有非常高的要求。李涤尘等利用FDM式控性冷沉积法定制的PEEK材料的胸骨、肋骨等复杂形状的大尺寸假体已经实现了临床应用。LeuMC等通过一个三挤出头机构对石灰石（CaCO，）和氧化铝（ Al2O3）与氧化锆（ZrO2）之间的绿色组分进行分级匹配，成功地制造了成分均匀过渡的梯度陶瓷零件。
4 FDM打印技术的应用
随着材料的研发，使得FDM打印技术能够更多地在不同的领域应用，比如医学、航空、食品、日常用品等。
4.1 汽车工业
在汽车生产过程中，大量使用热塑性高分子材料制造装饰部件和部分结构部件。与传统加工方法相比，FDM 3D打印技术可以大大缩短这些部件的制造时间，在制造结构复杂部件方面更是将优势展现得淋漓尽致。同时，FDM 3D打印技术能够一次成型，可以省去大部分传统连接部件。
目前FDM打印技术在汽车领域方面的应用优势在与能够为一些特殊用处的汽车如顶级赛车，制造一些个性化或者特殊功能的零件提供快速更新的方便。
4.2 航空航天
随着人类对天空以及地球外空间的逐步探索，进一步减轻飞行器的质量就成为设备改进与研发的重中之重。采用FDM 3D打印技术制造的零件由于所使用的热塑性工程塑料密度较低，与使用其它材料的传统加工方法相比，所制得的零件质量更轻，符合飞行器改进与研发的需求。在飞机制造方面，波音公司和空客公司已经应用FDM 3D打印技术制造零部件。例如，波音公司应用FDM 3D打印技术制造了包括冷空气导管在内的300种不同的飞机零部件;空客公司应用FDM 3D打印技术制造了A380客舱使用的行李架。
4.3 医疗
某些精密手术想要取得预期的治疗效果，就必须采取最佳的手术方式，但通常情况下不允许医生通过多次实践得出结论，给手术带来一定的难度和风险。FDM 3D打印技术可以和CT、核磁共振等扫描方法相结合，在手术前通过精确打印所需治疗部位的器官模型，大大提高一些高难度手术的成功几率，增强手术治疗效果。精确打印器官等人体模型的作用并不只局限于提高手术效果。在当今供体越发稀少且潜在供体不匹配等情况下，通过FDM 3D打印技术制造的外植体为解决这一紧急问题提供了一种全新的方法。例如，2013年3月，美国OPM公司打印出聚醚醚酮（PEEK）材料的骨移植物，并首次成功地替换了一名患者病损的骨组织;
4.4 其他领域
在建筑领域，FDM 3D打印技术能够制作出符合设计需求的建筑物模型， 从而验证楼宇结构设计是否符合要求;在机器人制造领域，FDM 3D打印技术能够一次成型连接件，从而将舵机连接在一起，完成双足机器人的组装;在模具制造领域，由于 FDM 3D打印技术具有诸多优点，对于生产内部结构复杂的模具具有无与伦比的速度优势。
5 未来FDM 3D打印技术的前景
随着材料的研发，会有更多的材料适应FDM 3D打印技术，FDM 3D打印技术会应用在更多的领域，由于熔融沉积独有的优势（速度慢，精度高），未来应用在航空方面会更多。
参考文献：
[1]曹明元.3D打印技术概论[M]. 北京：机械工业出版社，2016.
[2]高瞻. FDM设备的工作原理及与其他快速成型技术的比较[J]. 机械制造与自动化， 1996， （5）：7-10，45.
[3]韩江， 王益康， 田晓青等. 熔融沉积（FDM）3D打印工艺参数优化设计研究*[J]. 制造技术与机床， 2016， （6）：139-142，146.
关键词：FDM;快速成型;3D打印
1 前言
熔融沉积快速成型是继光固化快速成型和叠层实体快速成型工艺后的另一种应用比较广泛的快速成型工艺。该技术是当前应用较为广泛的一种3D打印技术，同时也是最早开源的3D打印技术之一，随着材料的开发，FDM技术的应用范围越来越广，涉及的领域也越来越多，本文将会从FDM快速成型技术的原理、其发展过程，其应用等方面进行介绍，分析FDM快速成型技术的前景。
2 FDM快速成型技术的基本原理
熔融沉积又称熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤压出来。从数学方面看，FDM堆砌过程实质上是一个三维积分过程，即计算机控制成型设备以dz的层厚在各个Z高度上进行平面积分。在各个Z 高度上的平面积分，则由计算机按零件的截面形状，将dx（或dy）变形处理为适合于设备进行填充运动的积分形式。由成型设备以各z高度上截面形状填充出的以dZ为高度的薄层，在z方向上叠加堆砌出零件的近似实体。 从物理方面看，材料通过送料机构进给，在通过打印喷头时受热熔化并挤出，当喷头沿工件内外截面轮廓和内部填充轨迹运动时，挤出的材料迅速固化，并与已固化的材料粘结，逐层堆积，形成实体工件。
3 FDM快速成型技术的发展过程
自1988年斯科特.克伦普研发了熔融沉积成型（FDM）技术以来，FDM技术就一直在优化，本文将从流道形状设计、喷嘴、打印材料几个方面介绍FDM技术的发展历程。
3.1 FDM流道形状的设计
流道形状关乎产品形成速度、精度，因而设计出一个最佳形状的流道非常重要。
Wang等[4]针对喷嘴形状提供了5设计理念。闵畅[5]提出将流道最前端加长，通过增大内壁面积，加大熔体对内壁粘附力，阻止打印材料停止打印时在挤压力作用下向下滴落的现象。Han等研究了混色熔体在Y型流道中流动情况，结果表明熔体在流道中具有复杂的流动行为，且容易在流道交叉处发生堵塞现象。MOSTAFA等分别从二维和三维角度数值模拟了复合材料是如何在90 °弯管流道中进行流动，其研究结果为复合材料熔体流动模型的建立和参数的优化提供了有价值的信息。
学者多以理论建模为主，例如二维、三维建模，实际试验为辅对流体流动进行研究，不断优化流道的形状，设计出最合适的流道结构。
3.2 FDM喷嘴研究进展
材料熔融之后被挤压到喷嘴处，控制系统控制堆积过程至产品成型。喷嘴处的温度、结构及材料会影响流体的流动行为，从而使产品的表面精度，很多国内外研究学者对喷嘴进行了大量研究。
喷嘴处温度降低会引起喷嘴处熔体堵塞，喷嘴处温度的高低决定了熔丝的黏度、挤出丝的流量、材料的粘结性能、堆积性能以及挤出丝的宽度。
吴明星等提出在喷嘴处增加加热孔和温度传感器，能严格控制喷嘴处的温度，在打印过程中能让喷嘴稳定出料。贾永臻模拟分析发现温度骤降会引起喷嘴堵塞问题，提出在喷嘴处添加保温措施是避免熔体堵塞喷嘴的有效手段。针对喷嘴位置的材料研究，刘晓军提出将喷嘴材料从铝青铜改为铍青铜，可以使喷嘴温度分布趋于均匀，熔体稳定流动，减小熔体在喷嘴内打滑现象，降低熔体堵塞喷嘴的可能性。
3.3 用于FDM打印的材料
目前用于FDM打印的材料多是PLA與ABS等低熔点单一聚合物，虽然可以打印出各种产品零件，但是材料的机械性能和功能有限，因而需要开发出更好性能来解决材料的局限性，能够使FDM打印适应更多领域的应用。
随着低熔点聚合物在FDM中的不断优化，研究人员已经开始研究具有高化学性能和高耐热性的高性能聚合物材料，如聚乙烯亚胺（ PEI）、聚醚酮（ PEKK）、聚苯乙烯（ PS）和聚醚醚酮（ PEEK）。印机有非常高的要求。李涤尘等利用FDM式控性冷沉积法定制的PEEK材料的胸骨、肋骨等复杂形状的大尺寸假体已经实现了临床应用。LeuMC等通过一个三挤出头机构对石灰石（CaCO，）和氧化铝（ Al2O3）与氧化锆（ZrO2）之间的绿色组分进行分级匹配，成功地制造了成分均匀过渡的梯度陶瓷零件。
4 FDM打印技术的应用
随着材料的研发，使得FDM打印技术能够更多地在不同的领域应用，比如医学、航空、食品、日常用品等。
4.1 汽车工业
在汽车生产过程中，大量使用热塑性高分子材料制造装饰部件和部分结构部件。与传统加工方法相比，FDM 3D打印技术可以大大缩短这些部件的制造时间，在制造结构复杂部件方面更是将优势展现得淋漓尽致。同时，FDM 3D打印技术能够一次成型，可以省去大部分传统连接部件。
目前FDM打印技术在汽车领域方面的应用优势在与能够为一些特殊用处的汽车如顶级赛车，制造一些个性化或者特殊功能的零件提供快速更新的方便。
4.2 航空航天
随着人类对天空以及地球外空间的逐步探索，进一步减轻飞行器的质量就成为设备改进与研发的重中之重。采用FDM 3D打印技术制造的零件由于所使用的热塑性工程塑料密度较低，与使用其它材料的传统加工方法相比，所制得的零件质量更轻，符合飞行器改进与研发的需求。在飞机制造方面，波音公司和空客公司已经应用FDM 3D打印技术制造零部件。例如，波音公司应用FDM 3D打印技术制造了包括冷空气导管在内的300种不同的飞机零部件;空客公司应用FDM 3D打印技术制造了A380客舱使用的行李架。
4.3 医疗
某些精密手术想要取得预期的治疗效果，就必须采取最佳的手术方式，但通常情况下不允许医生通过多次实践得出结论，给手术带来一定的难度和风险。FDM 3D打印技术可以和CT、核磁共振等扫描方法相结合，在手术前通过精确打印所需治疗部位的器官模型，大大提高一些高难度手术的成功几率，增强手术治疗效果。精确打印器官等人体模型的作用并不只局限于提高手术效果。在当今供体越发稀少且潜在供体不匹配等情况下，通过FDM 3D打印技术制造的外植体为解决这一紧急问题提供了一种全新的方法。例如，2013年3月，美国OPM公司打印出聚醚醚酮（PEEK）材料的骨移植物，并首次成功地替换了一名患者病损的骨组织;
4.4 其他领域
在建筑领域，FDM 3D打印技术能够制作出符合设计需求的建筑物模型， 从而验证楼宇结构设计是否符合要求;在机器人制造领域，FDM 3D打印技术能够一次成型连接件，从而将舵机连接在一起，完成双足机器人的组装;在模具制造领域，由于 FDM 3D打印技术具有诸多优点，对于生产内部结构复杂的模具具有无与伦比的速度优势。
5 未来FDM 3D打印技术的前景
随着材料的研发，会有更多的材料适应FDM 3D打印技术，FDM 3D打印技术会应用在更多的领域，由于熔融沉积独有的优势（速度慢，精度高），未来应用在航空方面会更多。
参考文献：
[1]曹明元.3D打印技术概论[M]. 北京：机械工业出版社，2016.
[2]高瞻. FDM设备的工作原理及与其他快速成型技术的比较[J]. 机械制造与自动化， 1996， （5）：7-10，45.
[3]韩江， 王益康， 田晓青等. 熔融沉积（FDM）3D打印工艺参数优化设计研究*[J]. 制造技术与机床， 2016， （6）：139-142，146.