淺論熔融沉積成型工藝的研究進(jìn)展

馮淑瑩 張慧梅（等同第一作者）

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心材料工程發(fā)明審查部，廣東 廣州510000）

熔融沉積成型（FDM）3D 打印技術(shù)具有打印機結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成型速度快、材料種類豐富且成本低等諸多優(yōu)點，F(xiàn)DM 3D 打印技術(shù)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，是目前應(yīng)用領(lǐng)域廣、成熟度高、應(yīng)用價值大和前景廣闊的3D 打印技術(shù)。

1 技術(shù)原理[1]

熔融擠壓沉積成型是將絲狀熱熔性材料（如蠟，ABS，尼龍等）加熱熔化，通過帶有微細(xì)噴嘴的噴頭擠出。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，材料沉積到指定層面凝固，并與前一層材料熔接。一個層面沉積完成后，工作臺按預(yù)定的增量下降一個層面高度，繼續(xù)沉積，直至完成整個實體成型。

熔融擠壓沉積成型采用噴頭內(nèi)安裝的電阻式加熱器將熱塑性材料加熱成液態(tài)，并根據(jù)片層參數(shù)控制加熱噴頭沿斷面層掃描，同時擠壓并控制液體流量，使粘稠液體均勻地沉積在斷層面上。其關(guān)鍵部件為具有兩個噴嘴的噴頭，其中一個噴嘴用于擠出成型材料，另一個用于擠出支撐材料。

2 技術(shù)發(fā)展情況

韓江[2]等通過分析FDM成型工藝，設(shè)計了加工試驗?zāi)Ｐ?。其主要工作為：通過對工藝參數(shù)的數(shù)學(xué)建模分析，推導(dǎo)出有關(guān)尺寸誤差以及表面精度誤差產(chǎn)生的原因及具體誤差函數(shù)。在對表面精度誤差函數(shù)的分析基礎(chǔ)上，再確定工藝參數(shù)值?；?D 打印機與上位機建立熔融沉積（FDM）3D 打印機試驗平臺，其設(shè)計了基于正交試驗法的FDM打印機參數(shù)優(yōu)化方案。并得出工藝參數(shù)的最優(yōu)組合以及影響的主次順序，再次利用試驗驗證了參數(shù)分析和優(yōu)化結(jié)果的正確性。

遲百宏[3]等認(rèn)為雖然3D 打印技術(shù)在塑料加工領(lǐng)域的影響力越來越大，但3D 打印制品依然存在強度不足等問題。其通過實驗ABS 及PLA 試樣的拉伸強度及斷裂伸長率，分析了FDM技術(shù)中構(gòu)建取向?qū)λ芰现破妨W(xué)性能的影響，也通過對比實驗研究了FDM技術(shù)制品與傳統(tǒng)注塑制品在力學(xué)性能上的差異。其結(jié)果表明，通過不同構(gòu)建取向的試樣呈現(xiàn)各向異性，其中ABS試樣明顯大于PLA 試樣的影響。其得出結(jié)論是合理的構(gòu)建取向可以提高制品的力學(xué)性能，并接近于傳統(tǒng)工藝?yán)缱⑺芄に囁盟健＝窈罂梢栽跇?gòu)建取向上進(jìn)一步研究其對力學(xué)性能的影響。

高士友[4]等則以提高不同填充率的制品的力學(xué)性能為目標(biāo)，其以類Delta 并聯(lián)式打印機等更高精度的試驗器材為對象，以固定參量實施FDM打印工藝，來制備不同的樣品，并分別通過拉伸試驗，彎曲試驗，壓縮試驗來驗證，分別得到拉伸、壓縮應(yīng)力- 應(yīng)變曲線和彎曲載荷- 位移曲線。并研究了3D 打印試件的抗拉強度、斷裂伸長率、抗拉剛度、所承受的最大彎曲載荷和抗壓強度等性能。其試驗結(jié)果表明，填充率是影響3D 打印試件變形失效和力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，其規(guī)律為伴隨著填充率的增加，試件的強度和剛度明顯提高，而且同心線填充試件抗拉強度和斷裂伸長率最大，直線形填充的剛度要優(yōu)于同心線填充和格子形填充的剛度。

余旺旺[5]等采用熔融沉積方法制備標(biāo)準(zhǔn)樣條，以擠出成型制備聚乳酸線材，研究了層積角度、打印層厚度和填充密度對打印產(chǎn)品的拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度和表面形貌等性能的影響。其結(jié)果表明，沉積角度為0°打印的產(chǎn)品，力學(xué)性能低于沉積角度為45°的產(chǎn)品，而打印層厚度也是影響因素之一，其中0.2mm 產(chǎn)品的力學(xué)性能稍高于層厚為0.1mm 的產(chǎn)品；至于彎曲強度和沖擊強度方面，則是隨著填充密度的增加而增加。

專利文獻(xiàn)CN 110802837 A 提出一種FDM 打印產(chǎn)品支撐結(jié)構(gòu)，包括打印產(chǎn)品懸空部位下方的支撐結(jié)構(gòu)，其中支撐結(jié)構(gòu)包括至少一層支撐區(qū)域，每層支撐區(qū)域均具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，且下層支撐區(qū)域網(wǎng)格間距大于上層支撐區(qū)域網(wǎng)格間距。該專利以支撐結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)確定FDM設(shè)備的打印參數(shù)，并使用逐層漸變式網(wǎng)格支撐結(jié)構(gòu)，具有有效節(jié)省支撐結(jié)構(gòu)的材料、減少打印支撐結(jié)構(gòu)消耗的時間的優(yōu)勢，而且，還能夠保證打印產(chǎn)品不塌陷。

專利文獻(xiàn)CN 110561743 A 提出一種FDM 噴頭溫度控制結(jié)構(gòu)，包括有擠料噴頭和進(jìn)料組件，所述進(jìn)料組件的下端固定連接有預(yù)熱腔，所述預(yù)熱腔的外側(cè)壁固定安裝有加熱塊。該FDM 噴頭溫度控制結(jié)構(gòu)，由于中心分管和加熱絲配合，直接加熱軸線處融化狀態(tài)不好的打印材料，使得打印材料的溫度分布更加均勻，另外其提高了加熱效率，相對減少了能量消耗，同時該發(fā)明將加熱分成兩端，上部分溫度較低，進(jìn)而對更上方的進(jìn)料口的溫度影響也較低，減少了對進(jìn)料口的影響；還有，由于加熱效率得到提高，加熱段便可以相應(yīng)縮短，從而減少設(shè)備尺寸，使其質(zhì)量更輕，在打印過程中獲得更加靈活，控制更加容易，打印精度更高的效果。

專利文獻(xiàn)CN 110328844 A 則提供了一種實時染色式FDM全彩色3D 打印機，包括FDM 噴頭，其能夠在三維空間內(nèi)自由移動，其中FDM噴頭用于根據(jù)模型的切片數(shù)據(jù)中的形狀信息逐層噴出絲料；該打印機包括大容量連續(xù)供墨系統(tǒng)，可用于提供6 種顏色的墨水；還具有噴墨系統(tǒng)，包括噴墨頭，與大容量連續(xù)供墨系統(tǒng)連通，噴墨頭對應(yīng)包括六組噴嘴，分別用于噴射6種顏色墨水中的一種墨水以及噴嘴控制器，用于將模型切片數(shù)據(jù)中的顏色信息轉(zhuǎn)化成六組噴嘴的開關(guān)指令，使六組噴嘴噴射出的不同量的墨水噴射在絲料的表面。該裝置通過在三維模型數(shù)據(jù)切片的同時把顏色數(shù)據(jù)儲存到相應(yīng)的切片軟件中，采用邊打印邊對絲料噴墨著色的方式，實現(xiàn)全彩色打印，并且造價成本低廉，應(yīng)用領(lǐng)域不受制約。

專利文獻(xiàn)CN 209395254 U 則提出一種FDM3D 打印設(shè)備的送絲機構(gòu)，該機構(gòu)包括送絲導(dǎo)入塊、送絲電機、擠出輪、壓緊軸承及預(yù)緊組件，送絲導(dǎo)入塊設(shè)有型腔、與型腔連通的滑槽、絲料入口和絲料出口，擠出輪置于型腔內(nèi)且與送絲電機傳動連接，壓緊軸承設(shè)于置于滑槽內(nèi)的軸承座上且與擠出輪相對，預(yù)緊組件設(shè)于滑槽內(nèi)且位于軸承座后方，擠出輪和壓緊軸承上均設(shè)有與絲料適配的環(huán)形槽，絲料經(jīng)絲料入口進(jìn)入型腔并在擠出輪和壓緊軸承的作用下從擠出輪和壓緊軸承的環(huán)形槽之間經(jīng)過最終經(jīng)絲料出口輸出；該設(shè)備具有送料力度大，擠出輪和壓緊軸承上的環(huán)形槽在送料時可以對絲料起到限位作用，避免送料過程由于擠出輪和壓緊軸承的擠壓力使絲料發(fā)生打滑的優(yōu)點。

3 結(jié)論

FDM 3D 打印技術(shù)具有傳統(tǒng)工藝無法比擬的優(yōu)勢，相信未來在打印材料、打印設(shè)備和打印技術(shù)不斷發(fā)展的推動下，F(xiàn)DM 3D 打印技術(shù)仍會是最具有應(yīng)用前景和發(fā)展速度最快的3D 打印快速技術(shù)。