三维熔融沉积成型原理与技术研究

束晓永，韩 江，丁芳婷

（合肥工业大学建筑与艺术学院，安徽 合肥 230009）

三维熔融沉积成型原理与技术研究

束晓永，韩 江，丁芳婷

（合肥工业大学建筑与艺术学院，安徽 合肥 230009）

通过分析FDM三维成型原理和方式，对比不同架构的优缺点及耗材发展特点，探明发展过程中会遇到的瓶颈，和可能的不利影响因素。通过建立智能平台，发挥FDM 3D成型技术和成本优势，整合创新产业资源，运用新技术对大众创新的支持，创建合理良性发展生态圈，促进良性循环。

3D打印；FDM成型；智能平台；创新

FDM（Fused Deposition Modeling）是熔融沉积成型原理3D打印方式，利用聚乳酸PLA或ABS工程塑料等可以热融的材料，将数字模型切片形成打印头移动路径，并在空间移动过程中挤出热融材料，一层一层进行堆积最终成型。这种技术的特点是架构简单可靠，使用及维护成本较低，耗材价格适中，目前是市场上个人DIY及教育等市场上的主流3D成型技术，众多爱好技术的创客对于3D打印的创新应用，突出了个性化定制方面的巨大优势。据分析，2018年3D打印市场将增长5倍，产值将达162亿美元[1]。在发展前景良好的情况下，应研究现有技术的不足以开拓应用，提升价值。

3D打印区别于传统机加工的减材制作，是采用激光烧结、粉末烧结、光敏成型、熔丝成型等多种原理方式的增材制造方式。由于能够快速成型，可以制作传统工艺难以实现的复杂产品，甚至被定义为第四次工业革命，2015年8月21日，李克强总理在国务院专题讲座上提出：加快发展先进制造与3D打印等问题，并强调要用新理念新技术推动中国制造由大变强，以大众创业万众创新促发展形成新动能。本文将基于FDM式3D打印技术及创新时代背景，规避行业中发展中的陷阱，探讨产业良性发展的方法[2]。

1 FDM机器四种架构及特点：

串联机械臂（迪卡尔坐标）式3D打印机，XYZ轴龙门式结构具有简洁稳定的特点，成型空间为立方体，精度较好，调平及维护较方便，运行时相对噪音较大，早期3D打印机多为这种结构。

并联机械臂（delta三角洲）式3D打印机，用三根平行轴分映射 X、Y、Z轴结构，成型空间为圆柱体，打印速度较快，结构简单成本较低、维修简易，固件调试和调平过程较便捷 ，结构和打印材料上的可扩展性强，创客DIY市场应用较多。

平面关节Scara式3D打印机，运用齿轮电机传动，机体较小节省空间，成型精度及速度都较好，运行成本较低。

机械臂式3D打印机，可以驱动工业机械手臂在空间中地进行多轴向作业，可以打印较为复杂的空间形态，成型尺寸较大，成本较高，固件及维护也较复杂，稳定性好。

FDM式3D打印常见的技术形式在互联网众创时代下不断催生出更多技术改进型号。相对于传统的减材制造技术，3D打印在保持低成本的同时，可以制造传统方法很难制造出来的复杂产品，同时没有传统业制造成本和生产数量之间的巨大牵制，常适合民用，当前3D打印技术普及的要素是价格成本，技术的易上手度，生态圈的完善。当前光固化、激光烧结、粉末粘结技术硬件成本较高，而FDM式3D打印技术由于成本优势呈现爆发式增长，这使得FDM式3D打印有了一定的群众基础，也决定了其广阔的民用发展空间，同时众多创客基于共享的理念，不断对一些FDM打印机架构进行着优化，在降低成本的同时进一步提高精度[3]。

2 FDM耗材的发展与创新之路

要发展3D打印，耗材研发是关键，目前光敏树脂，金属粉末等耗材，使用成本较高，成形限制条件较多。美国BCC研究公司研究后提出：热塑性塑料将成为发展最快的3D耗材，年增率将达20%。该公司预测，全球高级3D打印耗材市场到2019年的市值将达6.5亿美元，复合年增长率将达17.9%。而中国塑料制品协会提出的“十三五规划”稿中，重点发展3D打印塑料耗材，加快转型升级，提高自主创新能力，着力新材料、新技术、新装备和新产品，大力实施高端化战略，全面提高产业素质，力争在智能制造、数字制造、网络制造上取得新的突破[4]。这其中包括常用的ABS、PLA、尼龙等热塑性材料等，这些材料有着很好的热塑性能，较适合3D打印，同时通过对其进行创新改性，为一系列的应用打开了创新之门。

3 新技术条件下3D打印创新智能平台

建立在技术和全球化一体的基础之上的，平台驱动技术支持作用突显，互联网、物联网、云计算、大数据、人工智能等新技术，使现实和虚拟通过智能平台紧密结合，供需信息对称，物质丰富的时代，人们规避同质化，倾向个性化，通过智能平台人们已经可以进行服装、家居的个性化定制[5]。而在3D打印技术支撑作用下，产品生产将会变成一个全球零星分布式制造，可以跨越地域空间的限制的产业

传统FDM式3D打印需要用计算机助设计出数字模型，并转换成3D打印专用的STL或AMF格式，根据制作者经验和软件的辅助添加支撑结构，在用户自己的3D打印机上打印出模型，打印成型后需要进行一些后期处理，才能得到较为合用的成品。在发展过程中这种流程的缺点逐渐显现出来：要求使用者具备软件建模能力，对打印数字模型有较强的后处理能力，对输出3D实体有较强动手处理能力，使得3D打印局限于技术动手能力较高的特定群体，显然这样的要求不利于3D打印在大众中的普及，更不利于形成一个良性产业链。

智能软件平台是其中之一解决之道，资源丰富可以自由下载3D模型的网站已经出现很多，但还缺乏可以进行交互智能自定义模型的平台，这种平台技术上已完全可行，可以有效降低对客户软件建模能力的要求；现在成立的3D打印QQ技术群、微信群很多，多限于技术兴趣交流和售后服务，未能形成设计师、技术员和客户真正的交互平台，比较散乱;客户安装和使用过程经常遇到问题，如果能结合3D打印机产品销售，售后软件硬件安装维护，甚至后继的软硬件升级改装指导，使用全程有更专业化的平台和服务指导，会促进产业良性发展。

[1] 杨振贤，张磊编著.3D打印从全面了解到新手制作[M].化学工业出版社.2015：34-40

[2]肖恩.杜布拉瓦茨著，数字命运[M]，电子工业出版社 2015：211-231

[3]吴霁虹.众创时代:互联网+物联网时代企业创新完整解决方案[M].中信出版社.2015：76-79

[4]陈雪芳，孙春华，编.逆向工程与快速成型技术应用[M].机械与工业出版社 .2009：198-207

[5]张天蓉著，喷头下的世界:漫谈3D打印[M]， 电子工业出版社，2015：23-45

Study on the principle and technology of three dimensional melting deposition

SHU Xiao-yong， HAN Jiang， DING Fang-ting

(School of architecture and art， HeFei University of Technology， Hefei Anhui 230009)

Through the analysis of FDM three-dimensional molding principle and way of comparing the advantages and disadvantages of different structures and characteristics of the material development， find the encounter bottlenecks in the process of development， and possible adverse impact factors. Through the establishment of intelligence platform， giving full play to the advantages of FDM 3 d molding technology and cost， industry resources integration innovation， the use of new technologies to support the public innovation，create a reasonable and healthy development of ecological circle， and promote a virtuous circle.

3D printing; Fused deposition modeling; Intelligent platform; Innovation

TF841

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.05.035

1672–7304(2016)05–0071–02

安徽省重点教学研究项目“基于‘高校众创空间’的高职创业型艺术人才培养质量标准的建构及其评价机制研究”（项目编号：2015jyxm604）。

（责任编辑：吴湘银）

束晓永（1979-），男，安徽合肥人，研究方向：建筑设计。