三維熔融沉積成型原理與技術研究

束曉永，韓 江，丁芳婷

（合肥工業大學建筑與藝術學院，安徽 合肥 230009）

三維熔融沉積成型原理與技術研究

束曉永，韓 江，丁芳婷

（合肥工業大學建筑與藝術學院，安徽 合肥 230009）

通過分析FDM三維成型原理和方式，對比不同架構的優缺點及耗材發展特點，探明發展過程中會遇到的瓶頸，和可能的不利影響因素。通過建立智能平臺，發揮FDM 3D成型技術和成本優勢，整合創新產業資源，運用新技術對大眾創新的支持，創建合理良性發展生態圈，促進良性循環。

3D打印；FDM成型；智能平臺；創新

FDM（Fused Deposition Modeling）是熔融沉積成型原理3D打印方式，利用聚乳酸PLA或ABS工程塑料等可以熱融的材料，將數字模型切片形成打印頭移動路徑，并在空間移動過程中擠出熱融材料，一層一層進行堆積最終成型。這種技術的特點是架構簡單可靠，使用及維護成本較低，耗材價格適中，目前是市場上個人DIY及教育等市場上的主流3D成型技術，眾多愛好技術的創客對于3D打印的創新應用，突出了個性化定制方面的巨大優勢。據分析，2018年3D打印市場將增長5倍，產值將達162億美元[1]。在發展前景良好的情況下，應研究現有技術的不足以開拓應用，提升價值。

3D打印區別于傳統機加工的減材制作，是采用激光燒結、粉末燒結、光敏成型、熔絲成型等多種原理方式的增材制造方式。由于能夠快速成型，可以制作傳統工藝難以實現的復雜產品，甚至被定義為第四次工業革命，2015年8月21日，李克強總理在國務院專題講座上提出：加快發展先進制造與3D打印等問題，并強調要用新理念新技術推動中國制造由大變強，以大眾創業萬眾創新促發展形成新動能。本文將基于FDM式3D打印技術及創新時代背景，規避行業中發展中的陷阱，探討產業良性發展的方法[2]。

1 FDM機器四種架構及特點：

串聯機械臂（迪卡爾坐標）式3D打印機，XYZ軸龍門式結構具有簡潔穩定的特點，成型空間為立方體，精度較好，調平及維護較方便，運行時相對噪音較大，早期3D打印機多為這種結構。

并聯機械臂（delta三角洲）式3D打印機，用三根平行軸分映射 X、Y、Z軸結構，成型空間為圓柱體，打印速度較快，結構簡單成本較低、維修簡易，固件調試和調平過程較便捷 ，結構和打印材料上的可擴展性強，創客DIY市場應用較多。

平面關節Scara式3D打印機，運用齒輪電機傳動，機體較小節省空間，成型精度及速度都較好，運行成本較低。

機械臂式3D打印機，可以驅動工業機械手臂在空間中地進行多軸向作業，可以打印較為復雜的空間形態，成型尺寸較大，成本較高，固件及維護也較復雜，穩定性好。

FDM式3D打印常見的技術形式在互聯網眾創時代下不斷催生出更多技術改進型號。相對于傳統的減材制造技術，3D打印在保持低成本的同時，可以制造傳統方法很難制造出來的復雜產品，同時沒有傳統業制造成本和生產數量之間的巨大牽制，常適合民用，當前3D打印技術普及的要素是價格成本，技術的易上手度，生態圈的完善。當前光固化、激光燒結、粉末粘結技術硬件成本較高，而FDM式3D打印技術由于成本優勢呈現爆發式增長，這使得FDM式3D打印有了一定的群眾基礎，也決定了其廣闊的民用發展空間，同時眾多創客基于共享的理念，不斷對一些FDM打印機架構進行著優化，在降低成本的同時進一步提高精度[3]。

2 FDM耗材的發展與創新之路

要發展3D打印，耗材研發是關鍵，目前光敏樹脂，金屬粉末等耗材，使用成本較高，成形限制條件較多。美國BCC研究公司研究后提出：熱塑性塑料將成為發展最快的3D耗材，年增率將達20%。該公司預測，全球高級3D打印耗材市場到2019年的市值將達6.5億美元，復合年增長率將達17.9%。而中國塑料制品協會提出的“十三五規劃”稿中，重點發展3D打印塑料耗材，加快轉型升級，提高自主創新能力，著力新材料、新技術、新裝備和新產品，大力實施高端化戰略，全面提高產業素質，力爭在智能制造、數字制造、網絡制造上取得新的突破[4]。這其中包括常用的ABS、PLA、尼龍等熱塑性材料等，這些材料有著很好的熱塑性能，較適合3D打印，同時通過對其進行創新改性，為一系列的應用打開了創新之門。

3 新技術條件下3D打印創新智能平臺

建立在技術和全球化一體的基礎之上的，平臺驅動技術支持作用突顯，互聯網、物聯網、云計算、大數據、人工智能等新技術，使現實和虛擬通過智能平臺緊密結合，供需信息對稱，物質豐富的時代，人們規避同質化，傾向個性化，通過智能平臺人們已經可以進行服裝、家居的個性化定制[5]。而在3D打印技術支撐作用下，產品生產將會變成一個全球零星分布式制造，可以跨越地域空間的限制的產業

傳統FDM式3D打印需要用計算機助設計出數字模型，并轉換成3D打印專用的STL或AMF格式，根據制作者經驗和軟件的輔助添加支撐結構，在用戶自己的3D打印機上打印出模型，打印成型后需要進行一些后期處理，才能得到較為合用的成品。在發展過程中這種流程的缺點逐漸顯現出來：要求使用者具備軟件建模能力，對打印數字模型有較強的后處理能力，對輸出3D實體有較強動手處理能力，使得3D打印局限于技術動手能力較高的特定群體，顯然這樣的要求不利于3D打印在大眾中的普及，更不利于形成一個良性產業鏈。

智能軟件平臺是其中之一解決之道，資源豐富可以自由下載3D模型的網站已經出現很多，但還缺乏可以進行交互智能自定義模型的平臺，這種平臺技術上已完全可行，可以有效降低對客戶軟件建模能力的要求；現在成立的3D打印QQ技術群、微信群很多，多限于技術興趣交流和售后服務，未能形成設計師、技術員和客戶真正的交互平臺，比較散亂;客戶安裝和使用過程經常遇到問題，如果能結合3D打印機產品銷售，售后軟件硬件安裝維護，甚至后繼的軟硬件升級改裝指導，使用全程有更專業化的平臺和服務指導，會促進產業良性發展。

[1] 楊振賢，張磊編著.3D打印從全面了解到新手制作[M].化學工業出版社.2015：34-40

[2]肖恩.杜布拉瓦茨著，數字命運[M]，電子工業出版社 2015：211-231

[3]吳霽虹.眾創時代:互聯網+物聯網時代企業創新完整解決方案[M].中信出版社.2015：76-79

[4]陳雪芳，孫春華，編.逆向工程與快速成型技術應用[M].機械與工業出版社 .2009：198-207

[5]張天蓉著，噴頭下的世界:漫談3D打印[M]， 電子工業出版社，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

安徽省重點教學研究項目“基于‘高校眾創空間’的高職創業型藝術人才培養質量標準的建構及其評價機制研究”（項目編號：2015jyxm604）。

（責任編輯：吳湘銀）

束曉永（1979-），男，安徽合肥人，研究方向：建筑設計。