2019收获的季节，“FDM熟了”
2019收获的季节，“FDM熟了”
记得我家门前有一棵果树，路过的人看到上面结满了诱人的果子都会忍不住摘一个尝尝，但多数人都会尝一口后立刻扔掉，嘴里还会喃喃自语的说：“这果子只是看着好看，实际特别难吃”。但事实并非如此，实际这棵树上的果子非常好吃，每当树上的果子成熟时，邻里们都会跑过来争相采摘，然后一边吃一边对它赞不绝口。了解这棵树的人，可以在果子成熟时尝到人间美味，而不了解它的人多半只会在果子没熟时暴殄天物，而后留下无数恶评再悻悻离开。这也是现实生活中很多人都有过的经历，道理很简单，但真正懂的人却并不多。
3D打印机技术也曾面临如此窘境，尤其是“FDM”（Fused Deposition Modeling）。
阿基米德说过:“给我一个支点，我可以撬起地球”。是的，只要找准合适的“点”就可以创造奇迹。
FDM技术就是通过精准定位每一个“点”，再聚点成线、聚线成面、聚面成体，最终完成3D打印。
图：熔融沉积制造（FDM）原理图
作为起源较早、应用最普及的3D打印技术，FDM工艺由美国学者Scott Crump于1988年研制成功。FDM的材料一般是热塑性材料，如PLA、ABS、TPU、PEEK、尼龙等。以丝状供料。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成型。
图：FDM技术3D打印出的渐变色花瓶
这些年，FDM技术在打印速度和精度方面取得了巨大的进步。
图：2012年弘瑞推出的MR300桌面3D打印机
2011年之前，FDM桌面3D打印机还是木头外壳（甚至没有壳子）,打印平台很小，英文数码管显示，物理按键，稳定性极差，很多工作仍然需要手动操作，只有少数极客才能玩明白。
如今，FDM 3D打印机已经大变样，坚固而富有设计感的外壳、更大的打印尺寸、多语言全彩触摸屏、高精度定制导轨、快速拆卸喷头、自动调平、断料提醒、断电续打、语音播报、微信监控、三核CPU、强大的切片软件等等新技术加持。在稳定性、成熟度、易用性方面已经有了巨大的进步。其用途不再仅限于极客群体，而已经成为工业领域的制造装备。
图：弘瑞最新推出的Z600型号3D打印机
这些年，媒体对于3D打印的宣传给用户带来了不少误导，在新闻里，3D打印机可以打印火箭、飞机、人体器官、汽车、房子等等，3D打印似乎无所不能。而实际中他们见到的3D打印机却只能打印些瓶瓶罐罐和小模型，似乎毫无用武之地。
今天，我们就来探究一下FDM 3D打印技术除了打印一些瓶瓶罐罐，作为学生教学设备之外，在生产上都有哪些有价值和潜力的应用。
近两年，FDM 3D打印机最火的一个独立应用恐怕就是3D打印月球灯了，这是一个完全被创造出来的需求。有业内人士统计，全球每个月消费约15万只月球灯，绝大部分是从深圳与宁波港发出，在国内有多个厂家拥有数百台3D打印机在夜以继日的生产月球灯。
图：3D打印的磁悬浮月球灯
在中国，3D打印月球灯成为年轻人的随手小礼，成为电影宣传和活动道具，成为酒店或家庭装饰。而在大洋彼岸的美国，月球灯却被摆在了参议员的办公桌上与经典书籍、总统合影、家庭照片摆在一起可见在他心里的重要性。
3D打印一个月球灯的时间从数小时到几十小时不等，售价从几十元到上千元内不等。而在部分注塑厂家嗅到市场后，也出现了开模生产的月球灯，生产速度更快，价格更低。而3D打印的优势在于定制化生产和快速迭代。
飞机内饰部件，尤其塑料件可以说是FDM 3D打印的一大潜在的量产化应用，但是对于材料的阻燃、毒性、强度等方面有更高的要求。
2015年5月6日，Stratasys公司宣布，空客A350飞机中超过1000件部件是以自家FDM 3D生产系统Fortus 900mc制造的，取代了传统制造的零部件。
图：Stratasys为空客A350 3D打印的飞机部件
Stratasys公司使用了ULTEM 9085树脂，这是经过认证符合空中客车要求的材料，在FDM 3D打印机上打印出每一个部件。这种方法制造的零部件不仅重量更轻，而且强度也很高，他们也能够满足FST（火焰，烟雾和毒性）的要求。从2013年起，空客公司就开始与Stratasys公司一起合作，以设法节省资金和缩短生产周期。与传统方法相比这种技术也减少了90％的生产能量消耗。
此外，东方航空技术有限公司增材制造实验室也开发出30多种客舱零件，共生产了500多件成品零件装配在飞机客舱内，实现了飞机上标准零件的快速制造和定制化零件的设计、开发、生产，解决了过去易损零件订货周期长订货成本高的问题。
图：东方航空技术公司利用FDM技术3D打印iPad支架
FDM 3D打印对于汽车制造来说，是从源头上重新设计了汽车。这种应用能否规模化，还要看客户对3D打印汽车的接受程度。
2018年全球第一款量产3D打印新能源电动车——XEV在国内亮相。
图：全球首款量产3D打印电动车XEV
传统的汽车制造技术以冲压焊接等工艺为主，车身部件2000个左右，迭代周期24—42个月。3D打印的XEV电动车，车身部件40—60个左右，迭代周期3月—12月。由于使用3D打印技术生产，XEV电动车不需要传统汽车制造所需要的模具，车辆造型和功能可以根据用户的需求定制化，而且不会产生额外成本，做到真正的按需定制化的柔性生产。这是世界上第一款车身内外饰件使用3D打印技术生产的量产汽车。用于XEV电动车的三款材料分别是Polymaker开发的TPU、Nylon、PLA线材，所使用的3D打印机就是FDM 3D打印机。
图：XEV内外饰3D打印制造时间
在2014年于美国芝加哥举行的IMTS国际制造技术展览会上， 3D打印电动汽车“Strati”（斯特拉蒂）在与会者们的亲眼见证下诞生了。Strati整车一体成型，由辛辛那提公司的FDM 3D打印机制造，共有212层碳纤维增强热塑性塑料。
Strati全车只有40个零部件。除了动力传动系统、悬架、电池、轮胎、车轮、线路、电动马达和挡风玻璃外（大部分来自一辆雷诺Twizy或者采用传统制造技术制造），包括底盘、仪表板、座椅和车身在内的余下部件均由3D打印机打印，所用材料为碳纤维增强热塑性塑料。
图：3D打印电动汽车“Strati”
图：FDM 3D打印电动汽车“Strati”车身打印过程
不少人认为PLA这种材料受限于材料特性，在加工业和制造业难以发挥价值，主要用来做原型验证和设计辅助，然而在国内最大的几家玩具工厂内，FDM 3D打印机和PLA材料的应用彻底颠覆我们传统的认知。佛山某年营业额超过10亿人民币的玩具制造工厂夹具部门，已经在使用弘瑞Z系列FDM 3D打印机生产夹具。
图：玩具工厂内用于生产夹具的弘瑞FDM 3D打印机
该玩具工厂每年采购给玩具零件喷涂上色的夹具在100-200万，根据玩具类型和产能的需求，夹具的采购数量每年在1000-2000块。以前均外发采用机加工亚克力板等方式生产，如今全部在自己的夹具部门用弘瑞FDM 3D打印机制造。
与此同时，在施耐德电气公司的生产线上，使用Mankati E180 3D打印的尼龙和PC材质的零件正在发挥着作用，其强度甚至超过施耐德电气公司的预期，被立即采用制造非标零件和生产治具夹具。
图：施耐德电气使用Mankati E180 3D打印的用于设备设施的修理维护零件
图：施耐德电气使用高强度，耐高温达130°C的尼龙材料，打印出用在非标设备上的长期使用零件
在医疗方面通过3D打印来攻克医学难题，早已不是新鲜事。弘瑞推出的最新款3D生物打印机M3000，适用于医疗骨骼、内脏等结构的打印，也可打印其他医用的模型。它与一般3D打印机不同的是，打印材料采用水凝胶和细胞混合，配合弘瑞自主研发的软件及硬件进行加工，可应用于医疗上的软骨修复，也可用于病理研究、血管支架、假肢、手术导管等。迎合了市场需求，为医疗方面提供了更多的技术帮助。
图：弘瑞推出的生物3D打印机
广告发光字在我们的日常生活中随处可见，特别是在夜晚，各式各样的发光字闪出亮丽的光芒，点亮了夜空，成为城市一道道亮丽的风景线。伴随着广告行业的发展，FDM 3D打印技术在广告发光字领域也取得了骄人的成绩，并且在效果方面具有一定的优势，相较于传统广告标识更加深入人心。
传统做字需要雕刻、切割、焊接、开槽、折弯等操作，费事费力。3D打印制作发光字采用热熔挤喷技术，通过加热PLA环保材料，从喷头挤出，经过层层堆叠固化，制成各种形状，环保省时。对小型字、异型字、复杂图形的制作，3D打印具有无可比拟的优势。甚至有的公司专门开发了X、Y轴尺寸长，Z轴较矮的发光字专用3D打印机，因为只需要打印发光字的外壳，所以打印速度非常快，耗材用量很少，也就意味着成本很低。有人计算过，打印一个发光字“印”，尺寸为20厘米，需要3D打印材料25克，按照耗材市场价计算，材料成本约为2元，时间约为15分钟。
图：发光字3D打印机
FDM技术经过演化之后，也可以用于生产金属零件，这方面的典型的代表就是Desktop Metal和MarkForged。
Desktop Metal的金属打印机能够使用超过200多种合金，并能够同金属粉末一起用于金属注射成型，打印出来的金属零件可以媲美传统意义上的注塑成型工艺。Desktop Metal表示该系统要比激光系统便宜10倍，而且在使用方面更容易且更安全。
图：Desktop Metal FDM 3D打印机
图：Desktop Metal FDM 3D打印的金属零件
Markforged的技术被命名为ADAM，与FDM类似，将金属粉末分布到树脂中，帮助金属粉末成型，成型后将非金属部分去除，当非金属部分被去除掉后，金属形成预期的形状，而且后期的烧结工艺保证了零件XYZ方向均匀的强度。
图：Markforged 3D打印金属零件的工艺流程
图：Markforged METAL X 打印的金属零件
除此之外，FDM 3D打印机在游戏手办，影视道具，文物复原，铸造、义肢等众多领域也可以应用，在此就不再一一列举。
存在既合理，FDM之所以经久不衰，自有其独到之处。如果能够利用好FDM的优势，同样可以发挥出巨大的作用。有很多时候，用户不能仅仅局限于打印本身，而要融合设计、材料、后处理等工作。比如通过选用不同的材料，可以满足更多应用场景的性能需求。通过优化结构设计，可以减少零件数量或者满足特殊结构场景需求。通过后期打磨、上色等后处理，同样可以达到惊人的艺术效果。目前我们所看到的案例，背后都付出了巨大的努力和不断的尝试，最终才取得了成功。
春华秋实，2019成熟的FDM硕果累累、待您采摘……