【中关村在线办公打印频道原创】FDM（FusedDepositionModeling）中文全称为熔融沉积成型，是目前应用为广泛的3D打印技术，该技术是美国Stratasys于上世纪八十年代末发明。1992年该推出世界上款基于FDM技术的3D打印机，标志着FDM技术步入商用阶段。2009年FDM关键技术专利到期，各种基于FDM技术的3D打印开始大量出现，行业迎来快速发展期。丁腈橡胶O型圈

　　对于3D打印而言，材料是关键所在，FDM技术路径涉及的材料主要包括成型材料和支撑材料，根据技术特点，要求成型材料具有熔融温度低、粘度低、丁腈橡胶O型圈粘结性好、收缩率小等特点；支撑材料要求具有能够承受一定的高温、与成型材料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性要好等特点。

　　FDM应用领域包括概念建模、功能性原型制作、制造加工、终用途零件制造、修整等方面，涉及汽车、医疗、建筑、娱乐、电子等领域，随着技术的进步，FDM的应用还在不断拓展。

　　FDM技术优点包括成本低、成型材料范围较广、环境污染较小、设及材料体积较小、原料利用率高、后处理相对简单等；缺点包括成型时间较长、精度低、需要支撑材料等。

　　与其他3D打印技术相比，FDM技术不涉及激光、高温、高压等危险环节，同时其体积也较小，是成本相对较低的3D打印技术，能够大量应用于家庭及办公室环境，随着关键技术专利的到期，FDM的各种应用领域还在不断拓展，前景值得期待。

　　3D打印（3DPrinting）技术，是在计算机控制下，基于“增材制造”原理，立体逐层堆积离散材料，进行零件原型或终产品的成型与制造的技术。该技术以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，将3D实体变为若干个2D平面，利用激光束、电子束、热熔喷嘴等方式将粉末、热塑性材料等特殊材料进行逐层堆积粘结，终叠加成型，制造出实体产品。

　　经过几十年的发展，目前已经开发出多种3D打印技术路径，从大类上划分为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型和其他成型几大类，基础成型主要代表技术路径为熔融沉积成型（FDM）；粒状物成型技术路径主要包括电子束熔化成型（EBM）、选择性激光烧结（SLS）、三维打印（3DP）、选择性热烧结（SHS）等；光聚合成型主要包括光固化（SLA）、数字光处理（DLP）、聚合物喷射（PI）；其他技术包括激光熔覆快速制造技术（LENS）、熔丝制造（FFF）、融化压模（MEM）、层压板制造（LOM）等。

　　其中FDM、SLA、LOM、SLS、3DP为主流技术，熔融沉积成型FDM工艺一般是热塑性材料，以丝状形态供料。材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结；光固化快速成形SLA，又称立体光刻、光成形等，是一种采用激光束逐点扫描液态光敏树脂使之固化的快速成型工艺；叠层实体制造LOM工艺是快速原型技术中具有代表性的技术之一，是基于激光切割薄片材料、由黏结剂黏结各层成形；选择性激光烧结SLS工艺，是采用红外激光作为热源来烧结粉末材料，并以逐层堆积方式成形三维零件的一种快速成形技术；3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。

　　熔融沉积成型（FDM，FusedDepositionModeling）是上世纪八十年代末，由美国Stratasys发明的技术，是即光固化快速成型（SLA）和叠层实体快速成型工艺（LOM）后的另一种应用比较广泛的3D打印技术路径。1992年，Stratasys推出了世界上台基于FDM技术的3D打印机——“3D造型者（3DModeler）”，这也标志着FDM技术步入商用阶段。由于FDM工艺不需要激光系统支持，成型材料多为ABS、PLA等热塑性材料，因此性价比较高，是桌面级3D打印机广泛采用的技术路径。

　　国内方面，对于FDM技术的研究早包括清华大学、西安交大、华中科大等几所高效进行，其中，清华大学下属的企业于2000年推出了基于FDM技术的商用3D打印机，近年来也涌现出北京太尔时代、杭州先临三维等多家将3D打印机技术商业化的企业。

　　2009年FDM关键技术专利过期，基于FDM的3D打印开始大量出现，行业也迎来了快速发展期，相关设的成本和售价也大幅降低，数据显示，专利到期之后桌面级FDM打印机从超过1万美元下降至几百美元，销售数量也从几千台上升至几万台。

　　FDM的工作原理是将丝状原料通过送丝部件送入热熔喷头，然后在喷头内被加热融化，在电脑控制下喷头沿着零件截面轮廓和填充轨迹运动，将半流动状态的材料送到指定位置并终凝固，同时与周围材料粘结，选择性地逐层融化与覆盖，终形成成品。

　　一套完成的FDM制造系统包括硬件系统、软件系统，硬件系统主要指3D打印机本身，一台利用FDM技术的3D打印机包括工作平台、送丝装置、加热喷头、储丝设和控制设五大部分组成。

　　材料是3D打印技术的关键所在，对于FDM来说也不例外，FDM系统的材料主要包括成型材料和支撑材料，成型材料主要为热塑性材料，包括ABS、PLA、人造橡胶、石蜡等；支撑材料目前主要为水溶性材料。

　　成型材料是利用FDM技术实现3D打印的载体，对其粘度、熔融温度、粘结性、收缩率等方面均有较高的要求，具体要求如下：

　　材料的粘度低，流动性好，阻力就小，有助于材料顺利挤出。材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，从而影响成型精度。

　　熔融温度低可以使材料在较低温度下挤出，有利于提高喷头和整个机械系统的寿命，可以减少材料在挤出前后的温差，减少热应力，从而提高原型的精度。

　　FDM工艺时基于分层制造的一种工艺，层与层之间往往是零件强度薄弱的地方，粘结性好坏决定了零件成型以后的强度，粘结性过低，有时在成型过程中因热应力会造成层与层之间的开裂。

　　由于挤出时，喷头内部需要保持一定的压力才能将材料顺利挤出，挤出后材料丝一般会发生一定程度的膨胀。如果材料收缩率对压力比较敏感，会造成喷头挤出的材料丝直径与喷嘴的名义直径相差太大，影响材料的成型精度，FDM成型材料的收缩率对温度太敏感，否则会产生零件翘曲、开裂。

　　总结起来，FDM对成型材料的具体要求是熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小。根据上述特性，目前市场上主要的FDM成型材料包括ABS、PC、PP、PLA、合成橡胶等。

　　ABS材料。ABS是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，为五大合成树脂之一，具有抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能优良，还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点，容易涂装、着色，还可以进行表面喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工，广泛应用于机械、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑等工业领域，是一种用途极广的热塑性工程塑料。

　　作为一种用途广泛的合成树脂，ABS价格主要影响因素为国际原油价格，近期国际原油价格持续低迷，ABS价格也出现下跌，2015年以来ABS均价为12451元/吨，较2015年均价下跌14%，预计短期内ABS价格很难出现上涨，从历年的情况看，ABS均价在15000元/吨左右。

　　PC材料。PC即聚碳酸酯，是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多种类型，具有高弹性系数、高冲击强度、使用温度范围广、高度透明性及自由染色性、成形收缩率低、尺寸安定性良好、耐疲劳性佳、耐候性佳、电气特性优、无味无臭对人体无害符合卫生安全等特点，可用于光盘、汽车、办公设、箱体、包装、医药、照明、薄膜等多个领域。

　　随着产能的不断扩增，PC价格近年来总体上呈下跌趋势，2015年以来，由于下游需求的回暖，PC均价为19250元/吨，较去年同期上涨8%左右，从近年来的情况看，2010年以来PC均价为19650元/吨。

　　PP材料。PP即聚丙烯，是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂，其无毒、无味，密度小，强度、刚度、硬度耐热性均优于低压聚乙烯,可在100℃左右使用。具有良好的介电性能和高频绝缘性且不受湿度影响，但低温时变脆，不耐磨、易老化。适于制作一般机械零件、耐腐蚀零件和绝缘零件。常见的酸、碱等有机溶剂对它几乎不起作用，可用于食具。

　　2015年以来，在国际原油价格持续低迷背景下，PP失去成本支撑，价格有所下滑，2015年以来均价为10196元/吨，较2014年均价下跌14%，统计显示，2006年以来PP均价为12120元/吨。

　　PLA材料。PLA即聚乳酸，其热稳定性好，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用途十分广泛，可用作包装材料、纤维和非织造物等，目前主要用于服装、工业和医疗卫生等领域。

　　目前PLA均价在21000元/吨左右，其价格高于ABS、PC、PP等石化路径工程塑料，原因是聚乳酸原料来自于玉米等农作物生物发酵，成本相对较高，也因为如此，其环境友好程度较高。

　　合成橡胶材料。为了区别于天然橡胶，统一将用化学方法人工合成的橡胶称为合成橡胶，能够有效弥补天然橡胶产量不足的问题，合成橡胶一般在性能上不如天然橡胶全面，但它具有高弹性、绝缘性、气密性、耐油、耐高温或低温等性能，因而广泛应用于工农业、国防、交通及日常生活中。

　　支撑材料。顾名思义是在3D打印过程中对成型材料起到支撑作用的部分，在打印完成后，支撑材料需要进行剥离，因此也要求其具有一定的性能，目前采用的支撑材料一般为水溶性材料，即在水中能够溶解，方便剥离。具体特性要求如下表：

　　对于具有很复杂的内腔、孔隙等原型，为了便于后处理，可通过支撑材料在某种液体里溶解而去支撑。由于现在FDM使用的成型材料一般是ABS工程塑料，该材料一般可以溶解在有机溶剂中，所以不能使用有机溶剂。目前，已开发出水溶性支撑材料。

　　由于支撑材料的成型精度要求不高，为了提高机器的扫描速度，要求支撑材料具有很好的流动性，相对而言，对于粘性可以差一些。

　　总结起来，FDM对支撑材料的具体要求是能够承受一定的高温、与成型材料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性要好等。

　　根据国际3D打印巨头，同时也是FDM发明者的Stratasys资料显示，FDM应用领域包括概念建模、功能性原型制作、制造加工、终用途零件制造、修整等方面，涉及汽车、医疗、建筑、娱乐、电子、教育等领域。

　　建筑建模。计算机模拟在工程设计和建筑领域已经应用了很长一段时间。但是，建筑可视化的传统做法是使用木材或泡沫板制作建筑的等比例模型。这使得建筑师可以看到建筑在实际空间中如何矗立，以及是否存在任何可以改正的问题。而3D打印结合了计算机模拟的性和等比例模型的真实性，能够有效降低设计成本和开发时间，同时通过等比例的模型可以对建筑进行改良，增加安全性和合理性。

　　人体工程学设计。正确的人体工程学设计对预防受伤以及加强工作效率必不可少。3D打印的模型允许在开发流程期间就对人体工程学性能进行地测试。通过3D打印技术，设计人员可以创作出逼真的模型，再现产品每个单独部件的物理特性。在多次测试周期期间可以对材料进行修改，从而实现在将产品全面投入生产前对其人体工程学方面进行优化。

　　市场营销和设计。利用FDM技术构建的模型可以进行打磨、上漆、甚至镀铬，从而达到与新产品终外观一致的目的。FDM使用生产级的热塑塑料，因此模型可以获得与终产品一样的耐用性和使用感受。

　　在产品设计初期，可以利用FDM技术快速获得产品原型，而通过FDM技术获得的原型本身具有耐高温、耐化学腐蚀等性能，能够通过原型进行各种性能测试，以改进终的产品设计参数，大大缩短了产品从设计到生产的时间。

　　由于FDM技术可以采用高性能的生产级别材料，可以在很短的时间内制造标准工具，并可进行小批量生产，通过小批量生产可以使用与终产品相同的流程和材料来创建原型，并在等待终模具从车间发往各地的同时，即可将新产品上市。

　　FDM技术可制造业界为耐用、稳定、可重复使用的部件。其精度可媲美注塑成形，且能使用多种热塑性材料，通过FDM技术，制造商可以抓住更多小批量制造、定制终用途零件和工自动化的机会。

　　丰田采用FDM工艺制作右侧镜支架和四个门把手的母模，通过快速模具技术制作产品而取代传统的CNC制模方式，使得2000Avalon车型的制造成本显著降低，右侧镜支架模具成本降低20万美元，四个门把手模具成本降低30万美元。FDM工艺已经为丰田在轿车制造方面节省了200万美元。

　　Mizuno是世界上的综合性体育用品制造，计划开发一套新的高尔夫球杆，通常需要13个月的时间。FDM的应用大大缩短了这个过程，设计出的新高尔夫球头用FDM制作后，可以迅速地得到反馈意见并进行修改，大大加快了造型阶段的设计验证，一旦设计定型，FDM后制造出的ABS原型就可以作为加工基准在CNC机床上进行钢制母模的加工。新的高尔夫球杆整个开发周期在7个月内就全部完成，缩短了40%的时间。目前，FDM快速原型技术已成为Mizuno美国在产品开发过程中起决定性作用的组成部分。

　　福特常年需要部件的衬板，当部件从一到另一的运输过程中，衬板用于支撑、缓冲和防护。衬板的前表面根据部件的几何形状而改变。福特一年间要采用一系列的衬板，一般地，每种衬板改型要花费成千万美元和12周时间制作必需的模具。新衬板的注塑消失模被联合选作生产部后，部件的蜡靠模采用FDM制作，制作周期仅3天。其间，必须小心的检验蜡靠模的尺寸，测出模具收缩趋向。紧接着从铸造石蜡模翻出A2钢模，该处理过程将花费一周时间。模具接着车削外表面，划上修改线和水平线以便机械加工。该模具在模具后部设计成中空区，以减少用钢量，中空区填入化学粘结瓷。仅花5周时间和一半的原来成本，而且制作的模具至少可生产3万套衬板。采用FDM工艺后，福特汽车大大缩短了运输部件衬板的制作周期，并显著降低了制作成本。

　　与其他3D打印技术路径相比，FDM具有成本低、原料广泛等优点，同样存在成型精度低、支撑材料难以剥离等特点，下面做简要分析。

　　成本低。FDM技术不采用激光器，设运营维护成本较低，而其成型材料也多为ABS、PC等产用工程塑料，成本同样较低，因此目前桌面级3D打印机多采用FDM技术路径。

　　成型材料范围较广。通过上述分析我们知道，ABS、PLA、PC、PP等热塑性材料均可作为FDM路径的成型材料，这些都是常见的工程塑料，易于取得，且成本较低。

　　环境污染较小。在整个过程中只涉及热塑材料的熔融和凝固，且在较为封闭的3D打印室内进行，且不涉及高温、高压，没有有毒有害物质排放，因此，环境友好程度较高。

　　设、材料体积较小。采用FDM路径的3D打印机设体积较小，而耗材也是成卷的丝材，便于搬运，适合于办公室、家庭等环境。

　　原料利用率高。没有使用或者使用过程中废弃的成型材料和支撑材料可以进行回收，加工再利用，能够有效提高原料的利用效率。

　　后处理相对简单。目前采用的支撑材料多为水溶性材料，剥离较为简单，而其他技术路径后处理往往还需要进行固化处理，需要其他辅助设，FDM则不需要。

　　成型时间较长。由于喷头运动是机械运动，成型过程中速度受到一定的限制，因此一般成型时间较长，不适于制造大型部件。

　　需要支撑材料。在成型过程中需要加入支撑材料，在打印完成后要进行剥离，对于一些复杂构件来说，剥离存在一定的困难。另外，随着技术的进步，一些采用3D打印家已经推出了不需要支撑材料的机型，该缺点正在被逐步克服。

　　与SLA、LOM、SLS等成熟3D打印技术相比，FDM具有自己的特点，总体来说，FDM技术适合于对精度要求不高的桌面级3D打印机，易于推广，市场空间也较大。

　　由于在加工过程中不涉及激光技术，整体设体积较小，耗材获取较为容易，打印成本也相对较低，因此FDM技术路径是面向个人的3D打印机的技术，通过采用FDM技术的3D打印机，设计人员可以在很短的时间内设计并制作出产品原型，并通过实体对产品原型进行改进，与传统的计算机建模相比，能够真实的将实物展现在设计人员的面前。同时FDM技术也可以在各种文娱创意领域中广泛应用，能够满足人们对一些产品的个性化定制服务，随着人民生活水平的提高，丁腈橡胶O型圈这种需求将不断增加。同时由于FDM技术专利已经到期，其大面积推广已经不存在障碍，因此我们预计采用FDM技术路径的3D打印机，特别是桌面级3D打印机的市场空间将急剧增加。（数据来源：华融证券）
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