FDM 3D列印特徵圖
熔融沈積成型（FDM）是一種積層製造工藝，它基於CAD設計建構三維物理模型。材料絲材透過加熱噴嘴送入，噴嘴熔化擠出的絲材，並在印表機的建造平台上逐層沉積。
FDM 是目前最廣泛接受的 3D 列印方法，不僅適用於業餘愛好者和概念原型製作，也一直是測試原型、工具、教育模型、珠寶和其他應用的重要製造方法。
本文將探討FDM 3D列印的基本原理、工作原理、相容材料和工業應用。
讓我們開始吧！
關鍵要點
- 在FDM 3D列印中，熱塑性長絲熔化後透過加熱的噴嘴擠出。逐層沉積的材料相互黏合，最終形成零件。
- 桌上型 3D 列印機非常適合早期原型製作和快速設計迭代，而工業 FDM 更適合大型零件、功能原型、模具和小批量生產。
- 層高、噴嘴/床溫、列印速度、冷卻、光柵角度、材料和建造方向是FDM 3D列印過程中需要考慮的關鍵因素。
- 選擇FDM技術可快速製作原型、功能模型、工裝、夾具、外殼、支架和小批量客製化組件。
- SLA 和 SLS 是 FDM 的兩種替代方案。 SLA 更適合製造小型特徵、薄壁、高細節以及需要光滑表面的應用，而 SLS 則用於製造複雜、無支撐的功能性零件。
FDM 3D列印基礎知識
FDM 3D列印基礎知識
FDM 3D列印技術是指依照預定的切片模式，逐層列印機械零件和產品的模型。它可以建構複雜精細的幾何形狀，例如流暢的曲線、流體通道、深角、波浪狀晶格、互鎖接頭和倒扣。其主要限制在於噴嘴尺寸，通常為0.4毫米或更大。因此，列印特徵的尺寸必須大於噴嘴尺寸。
您可以使用FDM技術列印多種熱塑性材料，包括PLA、ABS、PA、TPU、PEEK和PEI。根據材料類型，需要調整進料速度、噴嘴、層高、冷卻強度等參數。同時，列印尺寸取決於3D列印機的性能。與桌上型3D列印機不同，工業級FDM印表機可提供1米×1米×1米的列印尺寸。
FDM列印的工作原理是什麼？機制和步驟
FDM 3D列印機的工作原理
熔融沈積成型（FDM），也稱為熔絲製造（FFF），遵循材料擠出積層製造機制，其中加熱元件熔化連續的熱塑性長絲，噴嘴逐層沉積材料。最終形狀是透過層間鍵結形成的。
讓我們來詳細了解FDM 3D列印過程。
CAD模型準備與切片
FDM製程的第一步是在SolidWorks、CATIA和AutoCAD等設計軟體中準備所需零件/產品的3D工程模型（.STL或.3MF檔）。
下一個過程是對設計進行切片，即將模型切片（分割）成數千個薄的水平切片（層），以便實現精確的 G 代碼，從而控制噴嘴運動、溫度和擠出速率。
設定FDM 3D印表機的列印參數
您需要設定不同的 FDM 3D 列印參數，包括噴嘴溫度、床溫、層高、沉積（列印）速度、冷卻風扇速度和建造方向，如下所述。
| 參數 | 典型範圍 | 影響因素 |
| 層高 | 0.05至0.5 mm | 層高對尺寸精度影響很大。 |
| 噴嘴溫度 | PLA 約 190–220 °C，ABS 約 220–260 °C | 取決於材料、光柵角度、零件類型和其他因素。 |
| 床溫 | 用作控制因素 | 取決於材料、厚度和工藝響應。 |
| 柵格角度 | 0°–90° | 它定義了層沉積（噴嘴移動）相對於列印床 X 軸的方向 |
絲狀餵料
輥筒驅動機構持續地將長絲送入液化加熱系統（與噴嘴相連的擠出頭）。同時，噴嘴也被加熱到設定的溫度。
絲狀物進入液化器
它利用液化裝置，透過電動墨盒將固體絲熔化成黏稠的、半液體的或液體的形式。
透過噴嘴進行層沉積
FDM 3D 列印
擠出機齒輪持續推送固體絲材，而絲材驅動的擠出壓力則迫使熔融絲材通過噴嘴，將絲材層沉積到列印平台上。噴嘴永久固定在列印頭組件上，列印頭組件沿著 X、Y 和 Z 軸移動（由 G 代碼控制），並精確地沉積絲材層。
每一層都透過熱和壓力以分子形式相互結合。每個分子間的相互擴散都是承重鍵。
凝固和零件去除
將列印件冷卻至室溫後，即可從列印平台上取下。依列印尺寸，可手動取下或使用機械手臂。支撐結構也在此階段移除。因此，列印件需要進行修整和精加工。
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FDM 3D列印材料
FDM 3D列印材料
聚乳酸 (PLA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PETG) 和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物 (ABS) 是最常用的熔融沈積成型 (FDM) 3D 列印材料。此外，聚乙烯亞胺 (PEI)、聚醚醚酮 (PEEK)、聚碳酸酯 (PC) 和其他熱塑性塑膠也常被使用。您可以選擇所需顏色和尺寸的這些材料的線材。
材料的選擇主要取決於預期用途和功能需求、運作條件、所需表面處理效果以及3D列印機的兼容性。 PLA具有強度和剛度，適用於製作外觀原型。 ABS適用於戶外零件、汽車零件、外殼和功能原型。因此，PETG是桌上型3D列印機中ABS塑膠的理想替代品。
| 材料 | 主要優勢 | 限制 |
| 聚乳酸（PLA） | 翹曲度低、易於 3D 列印、價格相對實惠，且表面細節豐富。 | 熱穩定性和衝擊韌性較低。 |
| 聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PETG) | 堅韌、柔韌、防潮的塑膠。 | 熱穩定性低於聚碳酸酯、ABS 和其他一些熱塑性塑膠。 |
| 丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS） | 有生物相容性等級（例如 ABS-M30i），比 PLA 更堅韌，並且具有良好的耐熱性。 | 印刷過程中會散發強烈氣味，並有紙張變形的風險。 |
| 聚醚醯亞胺（PEI/ULTEM） | 優異的耐熱性、高強度和耐化學腐蝕性 | 較高的玻璃化轉變溫度和昂貴的原料 |
| 聚醚醚酮 (PEEK) | 生物相容性等級和高機械強度。 | 高加工溫度 |
| 聚碳酸酯（PC） | 衝擊強度、尺寸穩定性、光學透明度和電絕緣性。 | 吸濕性強，易變形，噴嘴溫度高 |
| 尼龍 | 機械強度、韌性和耐化學性。 | 具有吸濕性，需控制乾燥。 |
| 熱塑性聚氨酯 (TPU) | 耐化學腐蝕、低摩擦係數、耐磨損。 | 需要較低的列印速度和嚴格的製程溫度控制。 |
| 增強聚合物 | 具有優異的剛度重量比，與未填充長絲相比，翹曲風險低。 | 需要使用經過熱處理的噴嘴，並且有形成微孔的風險。 |
FDM 3D列印的關鍵考量因素
3D 列印機的選擇、最小壁厚、特徵尺寸、後處理、材料翹曲和材料選擇是 FDM 3D 列印過程中確保精度、強度和製造品質的主要考慮因素。
桌上型3D列印機與工業級3D列印機
桌上型3D列印機的列印平台尺寸通常只有0.2 x 0.2 x 0.2米，適用於概念模型和早期概念驗證零件。而工業級3D列印機則更適合列印測試原型、小批量生產和功能性工程部件。
優化設計以應對翹曲
優化設計，減少尖角，保持壁厚均勻，並應用應力釋放部分，以減少變形。
仔細挑選材料
在選擇 3D 列印零件的材料時，請考慮所需的功能、運作環境、列印的便利性以及成本。
最小壁厚
FDM 3D列印的最小壁厚應為噴嘴直徑的2-3倍。
考慮表面處理
在選擇表面處理流程之前，請先確定表面粗糙度等級和美觀要求。蒸氣拋光、濕磨和環氧塗層是一些常見的選擇。
特徵尺寸
設計中幾何特徵的尺寸應大於製程的有效分辨率極限。
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何時應該選擇工業級FDM 3D列印機而不是桌上型3D列印機？
桌上型3D列印機適用於業餘愛好者專案、小型視覺模型和概念模型。而工業級FDM 3D列印機則提供更大的列印尺寸（約1 x 1 x 1米）、更高的精度控制和重複性、列印複雜設計的能力以及更廣泛的材料相容性。
選擇工業級FDM 3D列印機用於：
- 功能模型
- 工具部件
- 快速原型
- 小批量客製化組件的生產
選擇桌上型3D列印機的理由：
如果您正處於原型開發的早期階段，並且想要驗證特定功能，桌上型印表機可以實現快速迭代週期。
FDM 3D列印原型有哪些表面處理選項？
由於FDM 3D列印製品是透過逐層添加材料成型的，因此其表面會呈現明顯的層紋和粗糙度。多種後處理技術可用於解決這個問題，例如噴砂、蒸氣拋光、噴漆和塗層。
- 蒸氣拋光： 蒸汽流熔化表面材料，形成一層薄而均勻、光亮的塗層。
- 噴砂： 將沙粒噴灑到 3D 列印零件上，去除表面缺陷，從而產生均勻的表面。
- 繪畫： 可使用相容的黏合塗料進行紫外線防護、美觀裝飾及其他用途。
- 環氧塗層： 它為 3D 列印原型提供光滑、耐用且堅韌的表面。
有限差分法 (FDM) 有哪些應用 3D印刷?
使用FDM進行原型製作
FDM 3D列印零件和原型廣泛應用於汽車、醫療、消費性電子、工具和機器人等產業。對於希望快速建立原型以進行組裝、功能和組裝測試的公司和產品開發人員而言，FDM是一種高效且經濟的解決方案。它還可用於概念驗證和視覺化模型製作。
讓我們來看看一些FDM 3D列印技術在各行業的應用實例。
- 汽車： 通風管道、內裝零件、儀表板和組裝夾具原型。
- 工具： 測試組裝夾具、工件夾持裝置、複合材料模具和軟爪的原型。
- 醫療： 義肢原型、解剖模型和設備外殼。
- 消費類電子產品： 客製化外殼、組裝夾具和安裝支架。
- 機器人技術： 夾具、工裝、末端執行器 (EOAT) 和感測器安裝座。
FDM 3D列印有哪些優勢？
- FDM 3D列印機的安裝成本低。
- 尺寸公差精確，低至±0.25毫米
- 它能夠快速製作工程設計原型
- 工具要求極低；無需切削工具和模具。
- 交貨週期更短，最快可達1天。
- 與多種工程塑膠相容
- 高度客製化。
- 生產複雜、輕巧且內部結構
FDM 3D列印有哪些缺點？
- 表面可見層紋，而且原型通常需要進行後處理操作。
- 列印零件的強度和可實現的複雜程度受 3D 列印材料的影響。
- 複雜幾何形狀的列印需要支撐結構，這會增加後處理時間和原料消耗。
- 尺寸公差不如數控加工和射出成型那麼高。
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FDM、SLA 和 SLS 對比 3D印刷：有什麼區別？
SLA 和 SLS 是兩種不同的 3D列印的類型除了FDM之外，立體光刻（SLA）使用紫外光或雷射光束選擇性固化樹脂層，而選擇性雷射燒結（SLS）則逐層選擇性燒結聚合物粉末以建構設計的形狀。
讓我們從材料相容性、複雜性、精確度、交付時間和成本等方面比較這些 3D 列印方法。
| 參數 | FDM | SLA | SLS |
| 材料種類 | PLA、ABS、PETG、PC、尼龍、TPU、PEI、PEEK 和增強聚合物。 | 各種光敏液態熱固性樹脂 | 粉末狀熱塑性塑料，包括 PA11、PA12、TPU 和 PP。 |
| 複雜 | 中等複雜程度，需要支撐結構來支援內部複雜功能。 | 非常適合小型部件和薄壁截面 | 極好。未燒結的粉末本身就能支撐列印結構。 |
| 價格 | 低於 SLA 和 SLS | 中度 | 高 |
| 精密 | ±0.2 至 ±0.5 毫米 | 約±0.025至±0.1毫米 | 約±0.1至±0.3毫米 |
| 時間 | 快速的交貨時間 | 列印速度取決於印表機架構、零件高度、批次佈局和製程。 | 高，在生產原型或大量產品時。 |
| 何時選擇？ | 選擇低成本、快速迭代的原型和小批量生產。 | 選擇適合需要精細加工、注重細節和高度複雜性的場合。 | 適用於功能性機械零件和原型、尼龍零件以及無支撐複雜原型。 |
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參考
[1] “熔融沈積成型（FDM）基礎知識” 研究門。 ResearchGate – 熔融沈積成型 (FDM) 基礎知識