什么是FDM技术？
FDM，全称为 熔融沉积建模，又常被称为 FFF（Fused Filament Fabrication，熔融丝制造），两者在原理上完全相同，只是名称不同，FDM是Stratasys公司的注册商标，而其他厂商为了避免侵权,通常使用FFF这个名称。
（图片来源网络，侵删）
核心原理：将热塑性材料（通常是线材状的耗材）加热到熔融状态，然后通过一个可移动的喷嘴（挤出头）精确地挤出，按照预设的路径一层一层地堆积在打印平台上，层层叠加，最终凝固成型,构成三维实体。
可以把它想象成一台“高温热熔胶枪”，只不过胶枪里流出的不是胶水,而是可以精确控制路径和温度的熔融塑料丝。
FDM工作流程详解
一个完整的FDM打印过程主要包括以下几个步骤：
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3D建模:
（图片来源网络，侵删）使用三维建模软件（如SolidWorks, Fusion 360, Blender, Tinkercad等）创建一个三维数字模型，或者从网上下载已有的模型文件（通常是.STL或.OBJ格式）。
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模型切片:
- 将3D模型导入到切片软件中（如Cura, PrusaSlicer, Simplify3D等）。
- 切片软件会将模型“切割”成无数个薄层，并生成每一层的打印路径（即G-code代码）。
- 在此过程中，用户可以设置关键参数，如：
- 层高：决定打印件的精度和表面光滑度，层高越小，精度越高，表面越光滑,但打印时间越长。
- 填充率：模型内部的填充密度，影响强度和材料用量，0%为空心，100%为实心。
- 打印速度：喷嘴移动的速度,影响打印效率和表面质量。
- 打印温度：喷嘴和热床的温度,对材料的顺利挤出和层间结合至关重要。
- 支撑：对于有悬臂或悬空结构的模型，软件会自动生成支撑结构,以保证打印过程的稳定性。
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打印准备:
- 将切片软件生成的G-code文件传输到3D打印机。
- 装入耗材（如PLA, ABS, PETG等线材）。
- 确保打印平台（热床）水平,这是保证第一层粘附良好的关键。
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打印成型:
- 打印机开始工作,耗材从卷轴上被送入挤出机。
- 挤出机将耗材加热至熔点（通常在180°C - 250°C之间，具体取决于材料）。
- 熔融的材料在挤出机的压力下,通过喷嘴被精确地挤出。
- 打印机在X、Y轴平面上移动喷嘴，按照G-code指令的路径逐层“绘制”出物体的轮廓和内部填充。
- 打印平台（或喷嘴）在Z轴方向上，每完成一层后，会精确下降一个层高的距离,为下一层打印做准备。
- 材料挤出后迅速冷却凝固,与下一层牢固地结合在一起。
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后处理:
- 打印完成后,需要从打印平台上取下模型。
- 去除支撑结构（如果设置了的话）。
- 进行打磨、上色、上漆、上胶水等后处理工序,以改善模型的表面质量和外观。
核心组成部分
一台典型的FDM 3D打印机主要由以下几个部分构成：
- 机架: 提供稳定的结构支撑,保证打印精度。
- 挤出机: 包含加热块和喷嘴，负责将固态耗材加热熔化,并在步进电机的驱动下将熔融材料挤出。
- 打印平台: 用于承载正在打印的模型，通常配备热床，用于加热平台，防止模型在冷却过程中收缩翘起,并增强第一层的附着力。
- 运动系统: 由X、Y、Z轴的导轨、丝杆或皮带组成,驱动喷嘴和平台在三维空间中精确定位。
- 控制系统: 包含主控板（如Arduino, SKR, Duet等）、显示屏和步进电机驱动器，它负责接收G-code指令，并精确控制各个电机的运动、温度的升降等。
- 耗材: 通常是直径为1.75mm或2.85mm的热塑性塑料线材。
主要优缺点
优点:
- 成本低廉: 无论是打印机本身还是耗材，FDM技术的成本在所有3D打印技术中都是最低的，使其非常适合个人用户、教育机构和初创公司。
- 技术成熟，设备普及: 市场上FDM打印机种类繁多，从几百元的桌面机到几十万元的工业机,选择范围极广。
- 材料选择广泛: 除了常见的PLA, ABS, PETG，还有TPU（柔性材料）、尼龙、碳纤维增强材料、木纤维、金属填充材料等,能满足不同性能和外观的需求。
- 尺寸不受限: 可以通过拼接或使用大型打印机来制造非常大的零件。
- 操作简单: 相对于SLA、SLS等技术,FDM的操作流程和软件设置对新手更友好。
缺点:
- 表面精度较低: 由于是层层堆积，打印件的表面会呈现出明显的“层纹”（Layer Lines），表面不够光滑,通常需要后处理才能达到较好的外观。
- 各向异性明显: 零件的强度在XY平面（层内）和Z轴方向（层间）差异很大，层与层之间的结合通常是强度的薄弱环节,容易沿层间开裂。
- 细节表现力有限: 对于非常精细的细节和复杂的小型内部结构,FDM的精度难以与SLA或SLS等技术媲美。
- 打印速度相对较慢: 特别是高精度打印（小层高、高填充率）时,耗时非常长。
常见应用领域
尽管存在一些缺点，但凭借其成本和材料优势,FDM技术被广泛应用于：
- 原型制作: 快速验证产品外观、结构 fit 和功能,是产品开发中不可或缺的工具。
- 工具与夹具制造: 定制化的夹具、治具、钻头导板等，直接用于生产线,提高效率。
- 产品定制与个性化: 从定制手机壳、玩具到个性化礼品、人像模型等。
- 建筑与模型制作: 建筑模型、城市规划沙盘、地形模型等。
- 教育领域: 用于教授工程设计、机械原理等,让学生亲手将创意变为现实。
- 医疗领域: 制作手术导板、康复辅助器具、牙科模型等。
与其它主流3D打印技术的简单对比
| 特性 | FDM (熔融挤出) | SLA (光固化) | SLS (选择性激光烧结) |
|---|---|---|---|
| 原理 | 熔融丝材层层堆积 | 液态光敏树脂被激光固化 | 尼龙等粉末被激光烧结 |
| 精度 | 中等 | 非常高 | 高 |
| 表面质量 | 较差，有层纹 | 非常好，光滑 | 良好，粉末颗粒感 |
| 强度 | 各向异性，层间弱 | 脆，但细节强度高 | 各向同性，强度高且均匀 |
| 材料成本 | 非常低 | 较高 | 较高（专用粉末） |
| 设备成本 | 低 | 中等 | 非常高 |
| 后处理 | 需去除支撑，打磨 | 需清洗、固化 | 需去除未烧结粉末 |
| 主要优势 | 成本低、材料广 | 精度高、表面好 | 无需支撑、强度高 |
FDM熔融挤出技术凭借其低成本、高可靠性和材料多样性的特点，成为了3D打印技术中最具“群众基础”的一员，它极大地降低了数字制造的门槛，让个人和小型企业也能轻松地将虚拟设计转化为实体物品，虽然在精度和表面质量上不如其他技术，但在原型验证、功能测试和各类非极致精度的应用中,FDM依然是当之无愧的主力军。
