3.2　熔融沉积成形系统组成

FDM系统主要有供料机构、喷头、运动系统和工作台等。喷头安装于扫描系统上，可根据各层截面信息，随扫描系统做X-Y平面运动。在计算机控制下，供料系统将可热塑性丝材送进喷头，加热器将送至喷头的丝状材料加热至熔融态，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓，一层截面完成后，喷头上升（或工作台下降）一截面层的高度，再进行下一层的涂覆。如此循环，最终形成三维产品。

3.2.1　供料机构

常用的供料机构采用直流电动机驱动一对送进轮，靠摩擦力推动丝材进入液化器和喷嘴。为了实现供料机构的功能，电动机驱动力要大于流道和喷嘴的阻力，且丝材要有足够的轴向强度。普通供料机构依靠摩擦力提供的挤压力有限，聚合物丝条的加热完全通过外部加热装置，因而要求较长的流道，容易引起喷嘴堵塞。图3-3为采用不同挤压方式的供料机构，包括丝材送进、泵送和活塞送进。

图3-3（a）所示为丝材送进挤压方式，成形材料为丝状热塑性材料，经驱动机构送入液化器，并在其中受热逐渐熔化，先进入液化器的材料熔化后受到后部未熔材料丝（起到推压活塞的作用）的推压而挤出喷嘴。图3-3（b）所示为螺旋杆泵送进挤压方式，采用螺旋泵实现颗粒状原材料的泵送、加热和挤出，挤出材料的速度可以由螺旋杆的转速调节。图3-3（c）所示为活塞缸送进挤压方式，喷头的主要部分是一缸体，成形材料在缸内受热熔融，在活塞的压力作用下挤出喷嘴。可以看出，这几种方式都能实现材料的送进、熔融和挤压。在目前成熟的FDM系统中，喷头按挤出形式主要分为丝材送进挤压式喷头和螺旋杆挤压式喷头。前者占据桌面FDM设备的主流位置，后者在一些大型FDM设备中较为常见。

3.2.2　喷头

喷头是FDM系统的核心部件之一，其质量的优劣直接影响着成形件的质量。理想的喷头应该满足以下要求。

a.材料能够在恒温下连续稳定地挤出。这是FDM对材料挤出过程的最基本的要求。恒温是为了保证粘接质量，连续是指材料的输入和输出在路径扫描期间是不间断的，这样可以简化控制过程和降低装置的复杂程度；稳定包括挤出量稳定和挤出材料的几何尺寸稳定两方面，目的都是为了保证成形精度和质量。本项要求最终体现在熔融材料能无堵塞地挤出。

b.材料挤出具有良好的开关响应特性以保证成形精度。FDM是由X、Y轴的扫描运动，Z工作平台的升降运动以及材料挤出相配合而完成的。由于扫描运动不可避免地有启停过程，因此需要材料挤出也应该具有良好的启停特性，换言之就是开关响应特性。启停特性越好，材料输出精度越高，成形精度也就越高。

c.材料挤出速度具有良好的实时调节响应特性。FDM对材料挤出系统的基本条件之一就是要求材料挤出运动能够同喷头XY扫描运动实时匹配。在扫描运动起始与停止的加减速段，直线扫描、曲线扫描对材料的挤出速度要求各不相同，扫描运动的多变性要求喷头能够根据扫描运动的变化情况适时、精确地调节材料的挤出速度。另外，在采用自适应分层以及曲面分层技术的成形过程中，对材料输出的实时控制要求则更为苛刻。

d.挤出系统的体积和重量需限制在一定范围内。目前，大多数FDM中均采用XY扫描系统带动喷头进行扫描运动的方式来实现材料XY方向的堆积。喷头系统是XY扫描系统的主要载荷。喷头系统体积小，可以减小成形空间；重量轻，可以减小运动惯性并降低对运动系统的要求，也是实现高速（高速度和高加速度）扫描的前提。

e.足够的挤出能力。提高成形效率是不断改进快速成形系统的原动力之一。实现材料的高速、连续挤出是提高成形效率的基本前提。目前，大多数FDM设备的扫描速度为200～300mm/s，因此，要求喷头必须有足够的挤出能力来满足高速扫描的需要。实际上高精度直线运动系列的运动速度可以轻松达到500mm/s甚至更高，但材料挤出速度是制约FDM速度不断提高的瓶颈之一。

喷头的基本功能就是将导入的丝材充分熔化，并以极细丝状从喷嘴挤出。图3-4所示为丝材在流道中熔融挤出过程的示意图。丝材在摩擦轮驱动下进入加热腔直流道，受到加热腔的加热逐步升温。在温度达到丝材物料的软化点之前，丝材与加热腔内壁之间有一段间隙不变的区域，称为加料段。随着丝材表面温度升高，物料熔化，形成一段丝材直径逐渐变细直到完全熔融的区域，称为熔化段。在物料被挤出口之前，有一段完全由熔融物料充满机筒的区域，称为熔融段。理论上，只要丝材以一定的速度送进，加料段材料就能够保持固体时的物性而充当送进活塞的作用。图3-5为FDM 3D打印机喷头。

3.2.3　运动系统

3D打印FDM机器的运动系统按照结构来分可以分为I3、MB、并联臂、UM、CoreXY等类型，每种类型的驱动方式和运动方式有所不同，稳定性与运动精度也有所差异。

（1）I3型结构

图3-6为该种FDM 3D打印机的运动系统示意图，底板平台在电动机的带动下可以沿Y轴做前后运动；送丝打印头装置悬挂在X轴杆上，在电动机的带动下，打印头可以沿X轴做左右运动。平台和打印头的合作就是整个平台面上的平面运动。在打印机的两边各有两根竖杆，它是打印头做上下运动的轨道，也就是Z轴。把平面运动与打印头上下运动组合起来，就是XYZ三个方向的运动。

图3-7所示为I3结构FDM 3D打印机。该结构的3D打印机框架相对比较简单，采用龙门支架，比较节省材料，所以相对而言价格也比较便宜（适合初级入门），DIY的成本也比较低。近程送丝，可以打印柔体耗材，例如热塑性聚氨酯弹性体材料（TPU）等。

该结构的3D打印机，Y方向为平台移动，由于平台重量比较大，打印时惯性自然就大，增加了步进电动机和同步带的负荷，会加快同步带磨损；同时打印较快时，无法保证打印精度。Z方向双丝杆带动挤出头上下移动，由于丝杆的精度无法做到完全一致，长时间打印后，就会出现两边不齐平的情况，影响打印效果。机器占地面积大，平台是Y轴方向移动，所以需要的面积比较大。一般I3结构的机器为了压缩成本，都做得比较简单，开关电源外置，可能会带来安全隐患。另外，喷头模块使用的是单风道，只能吹到打印模型的一侧，另一侧无法及时冷却，影响打印质量。

（2）MB结构（Makerbot）

X、Y、Z三轴分别由独立的两个步进电动机独立控制，Z轴由两根光轴固定，平台运动时稳定性好，振动小，打印精度得到保证；外框架为四方形，结构稳定；采用近程送丝，可以打印柔体耗材，如图3-8所示。

由于挤出头的原因导致机器内部空间利用率较低，相对于并联臂而言稍微好一点。由于挤出头设计的问题导致无法快速散热（散热效率不高），比较容易堵头。采用单风道，只能吹到打印模型的一侧，另一侧无法及时冷却，打印质量得不到保证。

（3）并联臂结构

采用并联臂结构占地面积小，框架简单，使用铝型材DIY时，框架大小方便定制，如图3-9所示；喷头移动灵活，打印时设置回抽抬升喷头可有效减少拉丝，其他结构无法做到灵活地抬升喷头；采用远程送丝，使用E3D喷头，重量轻，打印速度比较快；E3D挤出头散热性能好，不易堵头。

缺点是打印机内部空间利用率很低，机器越高，空间利用率越低；调平比较困难。由于它的平台是固定的，如果没有自动调平，那么只能通过软件或者手动调整XYZ三个方向的偏置参数来调平，比较麻烦；由于采用远程送丝，如果打印时频繁回抽，气动接头容易损坏。

（4）UM结构（Ultimaker）

X、Y、Z三轴分别由独立的两个步进电动机独立控制，以十字结构控制喷头的打印稳定性，打印精度高， UM结构和MB结构最大的区别是MB结构X轴电动机和进丝电动机在运动组件上，容易增加Y轴负载，UM结构将打印头做到了最轻；远程送丝，喷头重量轻，打印速度快；在I3、并联臂、MB、UM四种结构中，UM结构的内部空间利用率是最高的，如图3-10所示。

缺点是Ultimaker的挤出机没有压片，换料时只能用内六角调节弹簧的压缩力度，所以导致换料比较麻烦，而且进料时如果对不准特氟龙的孔，容易被特氟龙管挡住；控制喷头移动的X、Y轴及十字轴装配比较困难；X轴方向的小闭口同步带如果磨损太严重，更换时，需要拆掉整根光轴，十分麻烦；远程送丝，如果打印时频繁回抽，气动接头容易损坏。

（5）CoreXY型

该类型打印机的运动与大多数FDM运动一样，在一个平面和一个方向上运动。如图3-11所示水平面的X、Y方向运动由两个步进电动机联动，通过齿形带牵引喷头运动。两个传送带看上去是相交的，其实它们是在两个平面上，一个在另外一个上面。在X、Y方向移动的滑架上安装了两个步进电动机，使得滑架的移动更加精确而稳定，同时还有两个平行的导轨阻尼器以减小运动冲击。CoreXY型结构的主要优点是打印速度快，没有X轴电动机一起运动的负担，可以做得更小巧，打印面积占比更高，如图3-12所示。