FDM快速成型技术描述
作者：北京瑞科达快速成型科技有限公司
FDM技术是由Stratasys公司所设计与制造，可应用于一系列的系统中。这些系统为FDM Maxum，FDM Titan，FDM Vantage, PlusProdigy Plus以及Dimension。FDM技术利用ABS，polycarbonate(PC)，polyphenylsulfone (PPSF)以及其它材料。这些热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝，由沉积在层层堆栈基础上的方式，从3D CAD资料直接建构原型。该技术通常应用于塑型，装配，功能性测试以及概念设计。此外，FDM技术可以应用于打样与快速制造。
FDM 术语
WaterWorks(水溶性支撑)： 可以分解于碱性水溶剂的可溶解性支撑结构。 Break Away Support Structure (BASS) (易剥离性支撑)： 水溶性支撑的前身，需要手动剥离工件表面的支撑。Tip(喷嘴)： 挤压成型用的喷嘴。喷嘴提供各种不同的孔径让使用者选择。 Road(线材)：在喷嘴的单一路径中所挤压成型的材料。可由喷嘴尺寸与材料进几率控制。
物理属性
符合原型应用的物理需求，大概是选择快速原型技术的最重要因素。快速原型的物理属性将定义他的品质并决定赋予的应用成败。
工程材料属性
当询问到重要性的排序，快速原型的使用者通常会声明材料属性是最重要的考虑。致力于工业需求，符合这些预期用来生产的材料的材料属性是很重要的。而这是FDM技术最重要的强项之一。当Stratasys公司制造用于FDM技术的所有材料，每一项都是从商业上可用的热塑性树脂来生产。
ABS： 所有的FDM系列产品都提供ABS作为材料选项，而接近90%的FDM原型都是由这种材料制造。使用者报告说ABS的原型可以达到注塑ABS成型强度的80%。而其它属性，例如耐热性与抗化学性，也是近似或是相当于注塑成型的工件，其耐热度为摄氏93.3度。这让ABS成为功能性测试应用的广泛使用材料。
Polycarbonate： 可以在Titan机型上使用的一种新式RP材料--polycarbonate –正在快速成长。增加强度的polycarbonate比ABS材料生产的原型更经得起力量与负载。许多使用者相信该材料生产的原型可以达到注塑ABS成型的强度特性，其耐热度为摄氏125度。
其它材料： FDM技术还有其它的专用材料。这些包含polyphenylsulfone、橡胶材质以及蜡材。橡胶材质是用来作类似橡胶特性的功能性原型。蜡材是特别设计来建立脱蜡铸造的样品。蜡材的属性让FDM的样品可以用来生产类似铸造厂中的传统蜡模。Polyphenylsulfone，一种应用于Titan机型的新工程材料，提供高耐热性与抗化学性以及强度与硬度，其耐热度为摄氏207.2度。
图2 PPSF耐高温工程材料应用于咖啡壶设计
Stratasys宣布已经针对FDM快速原型系统Titan发表PPSF材料。在各种快速原型材料之中，PPSF (或是称为 polyphenylsulfone)有着最高的强韧性、耐热性、以及抗化学性。
航天工业、汽车工业以及医疗产品业的生产制造商是第一批期待使用这种PPSF材料的用
户。航天业将会喜欢该材料的难燃属性；汽车制造业也非常想应用其抗化学性以及在400度以上还能持续运作的能力；而医疗产品制造商将对PPSF材质的原型可以进行消毒的能力感到兴趣。
测试单位，Parker Hannifin安装了一个PPSF作的模型到汽车引擎中。该零件是一个名为crankcase vapor coalescer的过滤器，装在一组V8引擎并作40 小时的测试以决定过滤器媒介的效能。该零件收集的燃气包含有160度的润滑油，燃料，油烟，以及其它燃烧的化学反应生成物。Parker Hannifin的Russ Jensen说，“该装配件并没有产生外漏，并且其展现出与第一次装配时相同的强度与属性。我们相当满意它的表现。”
测试单位，MSOE (Milwaukee School of Engineering)的操作经理Sheku Kamara，同样地很满意该新材料。“当在玻璃熔融的450度时，在各种快速原型材料之中，PPSF材料还拥有着除了金属之外最高的操作温度以及坚硬度，”他说。“在粘着剂测试期间，PPSF原型零件遭受于温度从14度到392度的考验且依然保持完整。” 颜色
包含最常用到的白色，ABS提供六种材料颜色。色彩的选项包含蓝色，黄色，红色，绿色与黑色。医学等级的ABSi 提供针对于半透明的应用，例如汽车车灯的透明红色或是黄色。
图3、4 彩色模型装配件
属性稳定度
不像SLA以及PolyJet的树脂，FDM材料的材料属性不会随着时间与环境曝晒而改变。就
像是注塑成型的副本，这些材料几乎在任何环境下都会保持他们的强度，硬度以及色彩。 精准性
快速原型的尺寸精度取决于许多因素，而其结果可能会因为每个工件或是不同日期而有些微小变化。需要考虑的事情必须包含已知的条件，例如量测的时间范围，工件的修整以及环境的曝晒。Maxum，Titan以及Prodigy Plus精准度资料详见附表一。精度测试工件如图5、6所示，在每一台机器中均用层厚0.18 mm所建构以形成目前的精准性资料。
图5 图标的工件试用来比较精准性
图6 所示的测试工件是用来做尺寸精度及运作时间分析。该工件是由FDM Titan在层厚0.18mm时制作的。
表1为Maxum、Titan以及Prodigy Plus的尺寸精度资料。 所有的测试零件均用层厚0.18mm所建构。(单位：mm)
工件建构
一般而言，FDM技术所提供的准确性通常相等或是优于SLA技术以及PolyJet技术，且确定优于SLS技术。然而，由于精准性是取决于许多的因素，所以矛盾的结果便会发生在个别的原型上。FDM技术的精准性受到较少的变量影响。用SLA，SLS以及PolyJet技术，尺寸精准性会受影响的因素有机器的校正，操作的技巧，工件的成型方向与位置，材料的年限以及合适的收缩率。 Z轴
这并非一定都会这样，Z轴可能是被证明准确性最小的。除了先前所讨论的变化之外，原型的高度可能由于层厚整数误差而改变。对所有的RP系统而言都是这样的。任何特征的表面顶端或是底端无法对齐成为一层时，在软件中的切层算法会将尺寸整数化到最接近的层厚数。在最坏的情形下，一端的表面往下整数化而另一端向上，高度可能偏离一个层厚。对于典型的FDM参数，这可能会产生的误差至少为0.127mm。 稳定性