三維熔融沉積成型原理與技術(shù)研究

束曉永，韓 江，丁芳婷

（合肥工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230009）

三維熔融沉積成型原理與技術(shù)研究

束曉永，韓 江，丁芳婷

（合肥工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)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(gòu)的優(yōu)缺點及耗材發(fā)展特點，探明發(fā)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(fā)揮FDM 3D成型技術(shù)和成本優(yōu)勢，整合創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)資源，運用新技術(shù)對大眾創(chuàng)新的支持，創(chuàng)建合理良性發(fā)展生態(tài)圈，促進(jìn)良性循環(huán)。

3D打??；FDM成型；智能平臺；創(chuàng)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(shù)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(jìn)行堆積最終成型。這種技術(shù)的特點是架構(gòu)簡單可靠，使用及維護(hù)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(shù)，眾多愛好技術(shù)的創(chuàng)客對于3D打印的創(chuàng)新應(yīng)用，突出了個性化定制方面的巨大優(yōu)勢。據(jù)分析，2018年3D打印市場將增長5倍，產(chǎn)值將達(dá)162億美元[1]。在發(fā)展前景良好的情況下，應(yīng)研究現(xiàn)有技術(shù)的不足以開拓應(yīng)用，提升價值。

3D打印區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)加工的減材制作，是采用激光燒結(jié)、粉末燒結(jié)、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(tǒng)工藝難以實現(xiàn)的復(fù)雜產(chǎn)品，甚至被定義為第四次工業(yè)革命，2015年8月21日，李克強(qiáng)總理在國務(wù)院專題講座上提出：加快發(fā)展先進(jìn)制造與3D打印等問題，并強(qiáng)調(diào)要用新理念新技術(shù)推動中國制造由大變強(qiáng)，以大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新促發(fā)展形成新動能。本文將基于FDM式3D打印技術(shù)及創(chuàng)新時代背景，規(guī)避行業(yè)中發(fā)展中的陷阱，探討產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展的方法[2]。

1 FDM機(jī)器四種架構(gòu)及特點：

串聯(lián)機(jī)械臂（迪卡爾坐標(biāo)）式3D打印機(jī)，XYZ軸龍門式結(jié)構(gòu)具有簡潔穩(wěn)定的特點，成型空間為立方體，精度較好，調(diào)平及維護(hù)較方便，運行時相對噪音較大，早期3D打印機(jī)多為這種結(jié)構(gòu)。

并聯(lián)機(jī)械臂（delta三角洲）式3D打印機(jī)，用三根平行軸分映射 X、Y、Z軸結(jié)構(gòu)，成型空間為圓柱體，打印速度較快，結(jié)構(gòu)簡單成本較低、維修簡易，固件調(diào)試和調(diào)平過程較便捷 ，結(jié)構(gòu)和打印材料上的可擴(kuò)展性強(qiáng)，創(chuàng)客DIY市場應(yīng)用較多。

平面關(guān)節(jié)Scara式3D打印機(jī)，運用齒輪電機(jī)傳動，機(jī)體較小節(jié)省空間，成型精度及速度都較好，運行成本較低。

機(jī)械臂式3D打印機(jī)，可以驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手臂在空間中地進(jìn)行多軸向作業(yè)，可以打印較為復(fù)雜的空間形態(tài)，成型尺寸較大，成本較高，固件及維護(hù)也較復(fù)雜，穩(wěn)定性好。

FDM式3D打印常見的技術(shù)形式在互聯(lián)網(wǎng)眾創(chuàng)時代下不斷催生出更多技術(shù)改進(jìn)型號。相對于傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)，3D打印在保持低成本的同時，可以制造傳統(tǒng)方法很難制造出來的復(fù)雜產(chǎn)品，同時沒有傳統(tǒng)業(yè)制造成本和生產(chǎn)數(shù)量之間的巨大牽制，常適合民用，當(dāng)前3D打印技術(shù)普及的要素是價格成本，技術(shù)的易上手度，生態(tài)圈的完善。當(dāng)前光固化、激光燒結(jié)、粉末粘結(jié)技術(shù)硬件成本較高，而FDM式3D打印技術(shù)由于成本優(yōu)勢呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，這使得FDM式3D打印有了一定的群眾基礎(chǔ)，也決定了其廣闊的民用發(fā)展空間，同時眾多創(chuàng)客基于共享的理念，不斷對一些FDM打印機(jī)架構(gòu)進(jìn)行著優(yōu)化，在降低成本的同時進(jìn)一步提高精度[3]。

2 FDM耗材的發(fā)展與創(chuàng)新之路

要發(fā)展3D打印，耗材研發(fā)是關(guān)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(fā)展最快的3D耗材，年增率將達(dá)20%。該公司預(yù)測，全球高級3D打印耗材市場到2019年的市值將達(dá)6.5億美元，復(fù)合年增長率將達(dá)17.9%。而中國塑料制品協(xié)會提出的“十三五規(guī)劃”稿中，重點發(fā)展3D打印塑料耗材，加快轉(zhuǎn)型升級，提高自主創(chuàng)新能力，著力新材料、新技術(shù)、新裝備和新產(chǎn)品，大力實施高端化戰(zhàn)略，全面提高產(chǎn)業(yè)素質(zhì)，力爭在智能制造、數(shù)字制造、網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行創(chuàng)新改性，為一系列的應(yīng)用打開了創(chuàng)新之門。

3 新技術(shù)條件下3D打印創(chuàng)新智能平臺

建立在技術(shù)和全球化一體的基礎(chǔ)之上的，平臺驅(qū)動技術(shù)支持作用突顯，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，使現(xiàn)實和虛擬通過智能平臺緊密結(jié)合，供需信息對稱，物質(zhì)豐富的時代，人們規(guī)避同質(zhì)化，傾向個性化，通過智能平臺人們已經(jīng)可以進(jìn)行服裝、家居的個性化定制[5]。而在3D打印技術(shù)支撐作用下，產(chǎn)品生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)

傳統(tǒng)FDM式3D打印需要用計算機(jī)助設(shè)計出數(shù)字模型，并轉(zhuǎn)換成3D打印專用的STL或AMF格式，根據(jù)制作者經(jīng)驗和軟件的輔助添加支撐結(jié)構(gòu)，在用戶自己的3D打印機(jī)上打印出模型，打印成型后需要進(jìn)行一些后期處理，才能得到較為合用的成品。在發(fā)展過程中這種流程的缺點逐漸顯現(xiàn)出來：要求使用者具備軟件建模能力，對打印數(shù)字模型有較強(qiáng)的后處理能力，對輸出3D實體有較強(qiáng)動手處理能力，使得3D打印局限于技術(shù)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(chǎn)業(yè)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(wǎng)站已經(jīng)出現(xiàn)很多，但還缺乏可以進(jìn)行交互智能自定義模型的平臺，這種平臺技術(shù)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(xiàn)在成立的3D打印QQ技術(shù)群、微信群很多，多限于技術(shù)興趣交流和售后服務(wù)，未能形成設(shè)計師、技術(shù)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(jīng)常遇到問題，如果能結(jié)合3D打印機(jī)產(chǎn)品銷售，售后軟件硬件安裝維護(hù)，甚至后繼的軟硬件升級改裝指導(dǎo)，使用全程有更專業(yè)化的平臺和服務(wù)指導(dǎo)，會促進(jìn)產(chǎn)業(yè)良性發(fā)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(xué)工業(yè)出版社.2015：34-40

[2]肖恩.杜布拉瓦茨著，數(shù)字命運[M]，電子工業(yè)出版社 2015：211-231

[3]吳霽虹.眾創(chuàng)時代:互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)時代企業(yè)創(chuàng)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(shù)應(yīng)用[M].機(jī)械與工業(yè)出版社 .2009：198-207

[5]張?zhí)烊刂?，噴頭下的世界:漫談3D打印[M]， 電子工業(yè)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(xué)研究項目“基于‘高校眾創(chuàng)空間’的高職創(chuàng)業(yè)型藝術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的建構(gòu)及其評價機(jī)制研究”（項目編號：2015jyxm604）。

（責(zé)任編輯：吳湘銀）

束曉永（1979-），男，安徽合肥人，研究方向：建筑設(shè)計。