4. 材料挤出成型（FDM/FFF）用聚合物
熔融沉积成型（FDM/FFF）是聚合物增材制造中应用最广、门槛最低的一类工艺。它的核心逻辑并不复杂：热塑性线材被送丝机构推入加热喷嘴，在喷嘴内熔融成黏流态，被挤出后按切片路径沉积到平台或已固化层上，冷却后重新固化并与相邻丝材、下层丝材粘接。理解这条“固—熔—流—固”的循环，是理解所有FDM材料行为的起点。
一、熔融沉积的物理过程
线材从室温进入喷嘴，经历三个关键区间：进料段（固态输送，靠齿轮咬合与导向管约束）、熔融段（受热软化、熔融，体积膨胀，形成熔池）、挤出段（熔体被后续线材挤压通过喷嘴孔，形成直径略大于孔径的挤出丝）。喷嘴温度、腔体热平衡、挤出流量三者必须匹配：温度过低，熔体黏度高，挤出丝表面粗糙、层间融合差；温度过高，熔体黏度低，易流涎、拉丝，且热降解风险上升。
挤出丝落到前一层时并非瞬间粘牢，而是经历“润湿—扩散—冷却固化”的粘接过程。聚合物分子链在界面处相互扩散缠结，冷却后形成层间强度。因此，层间粘结强度本质上由界面温度历史和接触时间决定：喷嘴温度、层厚、打印速度、腔体温度、冷却风扇共同决定了丝材在界面处保持“可粘接”状态的时间窗口。
二、五类线材的工艺定位
PLA：玻璃化转变温度约60℃，熔融约170–180℃。优点是收缩率低（约0.3%–0.5%）、翘曲小、气味轻、打印容易；缺点是耐热差、脆性大。适合外观件、教学模型、低负载结构。典型喷嘴温度190–210℃，热床50–60℃。
ABS：Tg约105℃，熔融约220–240℃。收缩率约0.6%–0.9%，翘曲倾向明显，需要封闭腔体或加热腔体（40–60℃）来减缓冷却梯度。优点是耐冲击、耐热、可丙酮抛光。典型喷嘴温度230–250℃，热床90–110℃。
PETG：Tg约80℃，熔融约230–250℃。收缩率约0.2%–0.4%，介于PLA与ABS之间，层间粘结好、韧性好、耐化学性较好。缺点是易拉丝、易吸湿，打印前需干燥。典型喷嘴温度230–250℃，热床70–80℃。
TPU：柔性材料，硬度从Shore 85A到95A不等。熔融约200–230℃，收缩率低，但送丝阻力大，需要直驱挤出机或低摩擦导管。打印速度通常降至20–40 mm/s，回抽距离要小，否则易堵料。典型喷嘴温度210–230℃，热床40–60℃。
PEEK：高性能半结晶聚合物，Tg约143℃，熔点约343℃。需要喷嘴温度360–400℃、腔体温度120–200℃、热床120–160℃。收缩率约1.0%–1.5%，翘曲控制难度大，通常需要高温腔体和退火处理。适合航空、医疗、化工等高端场景。
三、层间粘结的工艺窗口
层间粘结强度可用“界面温度—时间”窗口描述。以PLA为例，喷嘴210℃、层厚0.2 mm、速度50 mm/s时，新丝落在前一层后，界面温度在约0.1–0.3 s内从210℃降至Tg以下。若速度提高到80 mm/s，冷却更快，界面扩散时间缩短，层间强度下降。若将层厚降至0.1 mm，界面接触面积增大，粘结改善，但打印时间翻倍。
一个实用的判断方法是层间剥离测试：打印一个10 mm×10 mm×10 mm的立方体，用美工刀沿层间方向撬开，观察断裂面。若断裂面光滑、呈脆性剥离，说明层间粘结不足；若断裂面粗糙、有丝材拉断痕迹，说明粘结良好。对于ABS和PEEK，还可通过退火（ABS 80℃/2h，PEEK 200℃/2h）促进分子链进一步扩散，提高层间强度。
四、翘曲控制的核心策略
翘曲的根源是冷却收缩不均：沉积层从熔融态冷却到室温时体积收缩，而底层被热床约束，上层自由收缩，产生内应力。当应力超过层间粘结强度或底层附着力时，边缘翘起。控制策略分三个层面：
- 材料层面：选择低收缩率材料（PLA、PETG），或添加玻纤/碳纤降低收缩；PEEK等半结晶材料需通过退火提高结晶度、释放内应力。
- 设备层面：使用加热腔体（ABS 40–60℃，PEEK 120–200℃）减小冷却梯度；热床温度匹配材料Tg；平台附着力用PEI板、胶水、美纹纸等。
- 工艺层面：降低层厚、降低打印速度、减少冷却风扇、增加底面积（raft/brim）、优化填充路径（避免长直线收缩累积）。
五、典型参数速查
| 材料 | 喷嘴温度 | 热床温度 | 腔体温度 | 收缩率 | 层间粘结 | 翘曲倾向 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 190–210℃ | 50–60℃ | 无需 | 0.3–0.5% | 中 | 低 |
| ABS | 230–250℃ | 90–110℃ | 40–60℃ | 0.6–0.9% | 中高 | 高 |
| PETG | 230–250℃ | 70–80℃ | 可选 | 0.2–0.4% | 高 | 中低 |
| TPU | 210–230℃ | 40–60℃ | 无需 | 低 | 高 | 低 |
| PEEK | 360–400℃ | 120–160℃ | 120–200℃ | 1.0–1.5% | 高（需退火） | 很高 |
需要强调的是，表中参数是常见起始范围，实际最佳值受喷嘴结构、层厚、速度、环境温湿度影响。建议每次换料后先打印一个20 mm×20 mm×5 mm的测试块，观察首层附着、层间结合和边缘翘曲，再微调参数。对于PEEK等高温材料，还必须考虑喷嘴磨损、线材干燥和退火炉的配套。
总结来看，FDM/FFF的材料工程本质是热历史管理：控制线材从熔融到固化的温度路径，就控制了层间粘结与翘曲这一对矛盾。PLA、PETG适合低翘曲场景，ABS需要腔体保温，TPU需要低速度与直驱送丝，PEEK则需要完整的高温腔体与退火链。理解每种材料的Tg、熔点、收缩率和热降解温度，才能把参数从“抄作业”变成“有依据的调整”。