第6章 熔丝沉积快速成形技术

熔融沉积成型技术的原理1. 引言嘿，朋友们！今天我们来聊聊一种非常酷炫的技术——熔融沉积成型技术，听起来像是科幻电影里的高科技吧？但其实，它就在我们生活的身边，帮助我们实现各种梦幻的设计。

这个技术不仅让制造过程变得简单，还能让我们的创意瞬间变成现实。

你有没有想过，为什么能轻松地打印出一个小玩具，甚至是复杂的部件？这就要归功于熔融沉积成型（FDM）了！所以，接下来就让我们深入这个神奇的世界吧。

2. 熔融沉积成型技术的基础2.1 原理是什么？好吧，简单来说，熔融沉积成型就是将热塑性材料加热到融化的状态，然后通过喷嘴逐层挤出，形成我们想要的形状。

想象一下，像在玩泥巴，先把泥巴捏成一团，然后慢慢把它堆成你想要的东西。

这种技术的核心就是温度控制和材料的熔化，这样才能让它们在冷却后保持固定的形状。

2.2 材料的选择说到材料，那可真是五花八门。

你可以用PLA（聚乳酸）这种环保材料，打印出花瓶、玩具，甚至是小家具。

它的好处就是无毒，适合家庭使用。

而ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）则更适合需要耐热的场合，比如汽车零部件。

就像买衣服一样，不同的场合穿不同的材料，选择对了，事半功倍！3. 打印过程3.1 准备工作在开始打印之前，有几步是必须得做的。

首先，你需要设计一个模型，这可以用软件像Tinkercad、Fusion 360来完成，真的超级简单。

设计好之后，将文件转换成3D打印机能识别的格式，这就像把外语翻译成母语，让机器听懂你的指令。

然后，选择好材料，装载进打印机，就等着它大展身手了。

3.2 实际操作接下来就是最激动人心的部分了！打印机开始工作，喷嘴发出“滋滋”的声音，慢慢地将熔化的塑料层层叠加。

这时候，你可能会想，哇，这么神奇的过程，真是让人目瞪口呆！每一层材料就像是画画，上一层下去，再加一层，最后就能看到你设计的物品慢慢成形。

等到打印结束，打开盖子，取出作品，那种成就感简直无法用言语形容，心里暗想：“这就是我的杰作！”4. 总结总的来说，熔融沉积成型技术真的是一门让人眼前一亮的艺术，兼具科技感与创造力。

熔融沉积快速成型工艺成型精度的影响因素及对策快速成形技术(Rapid Prototyping and Manufacturing, RP&M)，又称快速原型制造技术，是继数控技术之后制造业的又一次重大革命。

它能以最快的速度将设计思想物化为具有一定结构和功能的三维实体，低成本制作产品原型甚至零件，非常适合当代市场竞争的需要。

因为该技术对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用，所以自问世以来，已经在制造业、工业设计、文化艺术、建筑工程以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用，并由此产生了一个新兴的技术领域。

1 FDM工艺的发展工业界越来越多的采用快速成型技术来进行产品开发，据调查，现在常用的几种类型的成型机在实际应用中具备各自的优点，而目前国际销售市场上，占份额最大的是基于FDM的快速原型设备(占43%)，这种设备有小巧、价格低廉、应用材料范围广泛、可直接制成工业产品的优点，在企业设计之中有着广泛的应用，图1所示是使用FDM成型机制作的模型照片。

图1 FDM工艺制作的手机外壳和花瓶模型成型精度是快速成型技术在工业应用中的关键问题之一，也是RP研究的重点，本文总结了大量的模型制作实践过程中的成型精度影响因素，并提出相应的对策。

2 FDM成形过程中精度的影响因素分析及相应对策2.1 CAD模型离散化过程中的两重精度损失采用STL文件格式的三角面片来近似逼近CAD模型，这一网格化过程给模型情度带来一重损失：分层后的层片文件采用CLI格式用线段近似逼近曲线引起另一重精度损失。

针对这两种文件表示格式引起的精度损失，我们只能靠寻求更优的CAD借口数据标准来提高精度、减少损失，如现在有些学者已经着手研究用STEP标准替代STL标准来进行模型的表示，可以借鉴推广。

2.2材料收缩性能引起的尺寸误差FDM系统所用材料为热塑性材料(如石蜡、ABS等)，成形过程中材料会发生两次相变过程:一次是由固态丝状受热熔化成熔融状态；另一次是由熔融状态经过喷嘴挤出后冷却成固态。

熔融沉积成型技术原理熔融沉积成型技术（Melt Deposition Modeling，MDM）是一种先进的快速成型技术，它利用高能激光束或电子束将金属粉末熔融成型，逐层堆积，最终形成所需的零件。

这种技术在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域有着广泛的应用前景。

本文将介绍熔融沉积成型技术的原理及其应用。

首先，熔融沉积成型技术的原理是基于金属粉末的熔融堆积。

在成型过程中，激光束或电子束对金属粉末进行瞬间加热，使其熔化成液态金属，然后在特定的位置上进行凝固，形成一层固态金属。

接着，工作台下降一个层次，再次喷射金属粉末，重复上述过程，直至整个零件成型。

这种逐层堆积的方式使得熔融沉积成型技术能够制造出复杂形状的零件，且具有较高的成型精度。

其次，熔融沉积成型技术的原理还包括材料的选择和热力学特性的控制。

在选择材料时，需要考虑金属粉末的熔点和热导率等因素，以确保在激光束或电子束的作用下能够快速熔化和凝固。

同时，需要控制金属粉末的喷射速度、激光束或电子束的功率和扫描速度等参数，以使得每一层的成型质量得到保障。

最后，熔融沉积成型技术的原理还涉及到成型过程中的温度控制和残余应力的消除。

由于金属粉末的熔化和凝固过程是在极短的时间内完成的，因此需要对成型区域进行精确的温度控制，以避免出现裂纹和变形等缺陷。

同时，还需要对成型后的零件进行热处理等工艺，以消除残余应力，提高零件的稳定性和耐久性。

总之，熔融沉积成型技术的原理是基于金属粉末的熔融堆积，通过控制材料特性、热力学参数和成型过程中的温度和应力等因素，实现对复杂零件的高效成型。

这种技术具有成型速度快、成本低、适用性广等优点，将在未来的制造业中发挥重要作用。

科技·探索·争鸣科技视界Science &Technology VisionScience &Technology Vision科技视界1熔融沉积快速成型简介基于CAD/CAM 技术的快速成型技术（又称3D 打印技术）近年来成为社会与科技热点。

该技术是利用CAD 模型驱动，通过特定材料运用逐层累积方式制作三维物理模型的先进制造技术[1]。

整个产品制造过程无需开发模具，利用计算机三维实体建模得到的模型即可直接打印制件，因此可以实现产品的快速制造。

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling ，FDM)则是一种近十几年来得到迅速发展的快速成型制造工艺。

该工艺又叫熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来，根据零件的分层截面信息，按照一定的路径，在成型板或工作台上进行逐层地涂覆。

由于热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。

与SLA 、SLS 等工艺不同，熔融沉积在成型过程中不需要激光，设备维护方便，成型材料广泛，自动化程度高且占地面积小，目前被广泛应用于产品开发、快速模具制作、医疗器械的设计开发及人体器官的原型制作，代表着快速成型制造技术的一个重要发展方向。

但是，由于其成型过程为半固态到固态过程的转化，分层厚度不易降低以及热熔性材料冷却过程中的收缩等因素，使得成型件的精度难以得到保证，也制约了熔融沉积成型的发展。

目前国内外学者针对熔融沉积快速成型设备、材料、工艺以及数值模拟等方面开展了一系列研究并取得了阶段性成果。

2熔融沉积快速成型设备方面的研究进展当前FDM 设备制造系统应用最为广泛的主要是美国Stratasys 公司的产品,从1993年Stratasys 公司开发出第一台FDM1650机型以来，先后推出了FDM-2000，FDM-3000和FDM-8000机型。

熔融沉积成型技术原理熔融沉积成型技术（Fused Deposition Modeling，FDM）是一种常见的3D打印技术，也被称为熔融沉积制造。

它是一种将熔融的材料通过喷嘴逐层沉积，最终构建出三维实物的方法。

本文将介绍熔融沉积成型技术的原理及其应用。

熔融沉积成型技术的原理主要分为四个步骤：建模、切片、预处理和成型。

建模是指使用计算机辅助设计（CAD）软件创建三维模型。

这个模型可以是从零开始设计，也可以是从现有的物体扫描或下载。

在建模过程中，可以对模型进行编辑、调整和优化，以确保最终打印出来的物体满足需求。

接下来，切片是将三维模型切割成一层层的二维切片，每个切片都代表了打印出来的一层。

切片软件通常会根据所选的打印参数，例如层高、填充密度等，生成适合打印的切片图像。

然后，预处理是指对切片图像进行处理，以便将其转换为打印机可以理解的指令。

这些指令包括控制打印机的运动、温度和材料供给等。

预处理软件会将每个切片图像转换为打印机可以执行的指令序列，这些指令将用于控制打印机的运动和材料的沉积。

成型是指将熔融的材料通过打印头逐层沉积到打印平台上，逐渐构建出最终的三维实物。

打印头通常会加热并将材料推送到沉积区域，使其熔化并与前一层的材料粘合在一起。

随着打印头的运动，材料会逐渐沉积，从而形成一个完整的三维物体。

熔融沉积成型技术具有许多优点，使其在各个领域得到广泛应用。

首先，它可以实现快速、准确和经济高效的原型制作。

相比传统的制造方法，熔融沉积成型技术可以大大缩短产品的开发周期，节省制造成本。

熔融沉积成型技术可以制造复杂的几何形状和内部结构。

由于打印是逐层进行的，因此可以实现更多细节和内部空间，这是传统制造方法无法实现的。

这使得熔融沉积成型技术在医疗、航空航天和汽车等行业中具有广阔的应用前景。

熔融沉积成型技术可以使用多种材料，如塑料、金属和陶瓷等。

这种多材料选择的灵活性使得熔融沉积成型技术在不同行业和应用中具有广泛的适应性。

熔融沉积快速成型技术教案标题：熔融沉积快速成型技术教案教案目标：1.使学生了解熔融沉积快速成型技术的基本原理和应用领域。

2.培养学生熟练操作熔融沉积快速成型设备的能力。

3.引导学生在熔融沉积快速成型技术的基础上进行创新设计与应用。

4.培养学生的团队合作与沟通能力。

教学内容：一、熔融沉积快速成型技术的概述1.定义与基本原理2.熔融沉积快速成型技术的分类3.熔融沉积快速成型技术的应用领域二、熔融沉积快速成型设备与工艺流程1.熔融沉积快速成型设备的组成与功能2.熔融沉积快速成型工艺流程的步骤与要点三、熔融沉积快速成型技术实践操作1.熔融沉积快速成型设备的操作要点与安全事项2.熔融沉积快速成型参数的设置与优化3.基于熔融沉积快速成型技术的样品制作实践四、熔融沉积快速成型技术的案例分析1.工业界熔融沉积快速成型技术的应用案例探讨2.学术界熔融沉积快速成型技术的研究进展与前景展望教学过程：1.导入：通过问答、图片展示等方式引入熔融沉积快速成型技术的概念和应用。

2.讲解与展示：详细介绍熔融沉积快速成型技术的定义、基本原理、分类和应用领域，并展示熔融沉积快速成型设备的组成和工艺流程。

3.实践操作：讲解熔融沉积快速成型设备的操作要点和安全事项，指导学生设置和优化熔融沉积快速成型参数，并进行基于熔融沉积快速成型技术的样品制作实践。

4.案例分析：讨论工业界和学术界关于熔融沉积快速成型技术的应用案例、研究进展和前景展望。

5.总结与小结：对本节课进行总结回顾，强调熔融沉积快速成型技术的重要性和应用价值。

教学方法：1.讲授法：通过讲解的方式，传授熔融沉积快速成型技术的相关知识。

2.实践操作法：通过实际操作熔融沉积快速成型设备，让学生亲身体验和掌握技术操作技能。

3.案例分析法：通过分析实际应用案例和研究进展，引导学生进行深入思考和讨论。

教学评估：1.观察学生在实践操作中的操作技能和安全意识。

2.考察学生对熔融沉积快速成型技术的理解和应用能力。

简述熔融沉积快速成型技术作者：林泽锋来源：《科学与财富》2020年第17期摘要：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。

熔融沉积成型技术原理
熔融沉积成型技术（FDM）是一种广泛应用于快速成型领域的增材制造技术。

它通过将热塑性材料加热至熔化状态，然后通过喷嘴一层一层地沉积到工作台上，最终形成所需的零件或构件。

这种技术具有成本低、制造速度快、适用范围广等优点，因此在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域得到了广泛应用。

熔融沉积成型技术的原理主要包括材料熔化、沉积成型和支撑结构三个方面。

首先，材料熔化。

在熔融沉积成型技术中，热塑性材料通常以线状或丝状的形式供给给3D打印机。

在打印过程中，这些材料被送入加热喷嘴，经加热后达到熔化状态。

熔化的温度通常高于材料的玻璃转变温度，使得材料具有足够的流动性，可以被精确地沉积到工作台上。

其次，沉积成型。

熔融的材料通过喷嘴被一层一层地沉积到工作台上，根据预先设计的模型形成所需的零件或构件。

打印头沿着X、Y、Z三个轴向移动，控制喷嘴的运动轨迹，从而实现对零件形状的精确控制。

通过不断地堆积和固化，最终形成完整的零件。

最后，支撑结构。

在打印过程中，由于零件的上层需要支撑，因此需要设置支撑结构。

支撑结构通常由与零件材料相同或类似的材料构成，它们会在打印完成后被去除，以保证零件表面的平整度和精度。

总的来说，熔融沉积成型技术的原理是利用热塑性材料的熔化特性，通过控制喷嘴的运动轨迹和温度，将材料一层一层地沉积到工作台上，最终形成所需的零件或构件。

这种技术在制造业中具有重要的应用前景，可以为产品设计与制造带来革命性的变革。