簡述熔融沉積快速成型技術(shù)

林澤鋒

摘 要：簡單介紹了熔融沉積快速成型技術(shù)（FDM）的原理、發(fā)展過程及其應(yīng)用，并展望了FDM快速成型技術(shù)的未來前景。

關(guān)鍵詞：FDM;快速成型;3D打印

1? 前言

熔融沉積快速成型是繼光固化快速成型和疊層實(shí)體快速成型工藝后的另一種應(yīng)用比較廣泛的快速成型工藝。該技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的一種3D打印技術(shù)，同時(shí)也是最早開源的3D打印技術(shù)之一，隨著材料的開發(fā)，F(xiàn)DM技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣，涉及的領(lǐng)域也越來越多，本文將會(huì)從FDM快速成型技術(shù)的原理、其發(fā)展過程，其應(yīng)用等方面進(jìn)行介紹，分析FDM快速成型技術(shù)的前景。

2? FDM快速成型技術(shù)的基本原理

熔融沉積又稱熔絲沉積，它是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，通過帶有一個(gè)微細(xì)噴嘴的噴頭擠壓出來。從數(shù)學(xué)方面看，F(xiàn)DM堆砌過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)三維積分過程，即計(jì)算機(jī)控制成型設(shè)備以dz的層厚在各個(gè)Z高度上進(jìn)行平面積分。在各個(gè)Z 高度上的平面積分，則由計(jì)算機(jī)按零件的截面形狀，將dx（或dy）變形處理為適合于設(shè)備進(jìn)行填充運(yùn)動(dòng)的積分形式。由成型設(shè)備以各z高度上截面形狀填充出的以dZ為高度的薄層，在z方向上疊加堆砌出零件的近似實(shí)體。 從物理方面看，材料通過送料機(jī)構(gòu)進(jìn)給，在通過打印噴頭時(shí)受熱熔化并擠出，當(dāng)噴頭沿工件內(nèi)外截面輪廓和內(nèi)部填充軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，擠出的材料迅速固化，并與已固化的材料粘結(jié)，逐層堆積，形成實(shí)體工件。

3? FDM快速成型技術(shù)的發(fā)展過程

自1988年斯科特.克倫普研發(fā)了熔融沉積成型（FDM）技術(shù)以來，F(xiàn)DM技術(shù)就一直在優(yōu)化，本文將從流道形狀設(shè)計(jì)、噴嘴、打印材料幾個(gè)方面介紹FDM技術(shù)的發(fā)展歷程。

3.1? FDM流道形狀的設(shè)計(jì)

流道形狀關(guān)乎產(chǎn)品形成速度、精度，因而設(shè)計(jì)出一個(gè)最佳形狀的流道非常重要。

Wang等[4]針對噴嘴形狀提供了5設(shè)計(jì)理念。閔暢[5]提出將流道最前端加長，通過增大內(nèi)壁面積，加大熔體對內(nèi)壁粘附力，阻止打印材料停止打印時(shí)在擠壓力作用下向下滴落的現(xiàn)象。Han等研究了混色熔體在Y型流道中流動(dòng)情況，結(jié)果表明熔體在流道中具有復(fù)雜的流動(dòng)行為，且容易在流道交叉處發(fā)生堵塞現(xiàn)象。MOSTAFA等分別從二維和三維角度數(shù)值模擬了復(fù)合材料是如何在90 °彎管流道中進(jìn)行流動(dòng)，其研究結(jié)果為復(fù)合材料熔體流動(dòng)模型的建立和參數(shù)的優(yōu)化提供了有價(jià)值的信息。

學(xué)者多以理論建模為主，例如二維、三維建模，實(shí)際試驗(yàn)為輔對流體流動(dòng)進(jìn)行研究，不斷優(yōu)化流道的形狀，設(shè)計(jì)出最合適的流道結(jié)構(gòu)。

3.2? FDM噴嘴研究進(jìn)展

材料熔融之后被擠壓到噴嘴處，控制系統(tǒng)控制堆積過程至產(chǎn)品成型。噴嘴處的溫度、結(jié)構(gòu)及材料會(huì)影響流體的流動(dòng)行為，從而使產(chǎn)品的表面精度，很多國內(nèi)外研究學(xué)者對噴嘴進(jìn)行了大量研究。

噴嘴處溫度降低會(huì)引起噴嘴處熔體堵塞，噴嘴處溫度的高低決定了熔絲的黏度、擠出絲的流量、材料的粘結(jié)性能、堆積性能以及擠出絲的寬度。

吳明星等提出在噴嘴處增加加熱孔和溫度傳感器，能嚴(yán)格控制噴嘴處的溫度，在打印過程中能讓噴嘴穩(wěn)定出料。賈永臻模擬分析發(fā)現(xiàn)溫度驟降會(huì)引起噴嘴堵塞問題，提出在噴嘴處添加保溫措施是避免熔體堵塞噴嘴的有效手段。針對噴嘴位置的材料研究，劉曉軍提出將噴嘴材料從鋁青銅改為鈹青銅，可以使噴嘴溫度分布趨于均勻，熔體穩(wěn)定流動(dòng)，減小熔體在噴嘴內(nèi)打滑現(xiàn)象，降低熔體堵塞噴嘴的可能性。

3.3? 用于FDM打印的材料

目前用于FDM打印的材料多是PLA與ABS等低熔點(diǎn)單一聚合物，雖然可以打印出各種產(chǎn)品零件，但是材料的機(jī)械性能和功能有限，因而需要開發(fā)出更好性能來解決材料的局限性，能夠使FDM打印適應(yīng)更多領(lǐng)域的應(yīng)用。

隨著低熔點(diǎn)聚合物在FDM中的不斷優(yōu)化，研究人員已經(jīng)開始研究具有高化學(xué)性能和高耐熱性的高性能聚合物材料，如聚乙烯亞胺（ PEI）、聚醚酮（ PEKK）、聚苯乙烯（ PS）和聚醚醚酮（ PEEK）。印機(jī)有非常高的要求。李滌塵等利用FDM式控性冷沉積法定制的PEEK材料的胸骨、肋骨等復(fù)雜形狀的大尺寸假體已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了臨床應(yīng)用。LeuMC等通過一個(gè)三擠出頭機(jī)構(gòu)對石灰石（CaCO，）和氧化鋁（ Al2O3）與氧化鋯（ZrO2）之間的綠色組分進(jìn)行分級匹配，成功地制造了成分均勻過渡的梯度陶瓷零件。

4? FDM打印技術(shù)的應(yīng)用

隨著材料的研發(fā)，使得FDM打印技術(shù)能夠更多地在不同的領(lǐng)域應(yīng)用，比如醫(yī)學(xué)、航空、食品、日常用品等。

4.1? 汽車工業(yè)

在汽車生產(chǎn)過程中，大量使用熱塑性高分子材料制造裝飾部件和部分結(jié)構(gòu)部件。與傳統(tǒng)加工方法相比，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)可以大大縮短這些部件的制造時(shí)間，在制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜部件方面更是將優(yōu)勢展現(xiàn)得淋漓盡致。同時(shí)，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)能夠一次成型，可以省去大部分傳統(tǒng)連接部件。

目前FDM打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域方面的應(yīng)用優(yōu)勢在與能夠?yàn)橐恍┨厥庥锰幍钠嚾珥敿壻愜?，制造一些個(gè)性化或者特殊功能的零件提供快速更新的方便。

4.2? 航空航天

隨著人類對天空以及地球外空間的逐步探索，進(jìn)一步減輕飛行器的質(zhì)量就成為設(shè)備改進(jìn)與研發(fā)的重中之重。采用FDM 3D打印技術(shù)制造的零件由于所使用的熱塑性工程塑料密度較低，與使用其它材料的傳統(tǒng)加工方法相比，所制得的零件質(zhì)量更輕，符合飛行器改進(jìn)與研發(fā)的需求。在飛機(jī)制造方面，波音公司和空客公司已經(jīng)應(yīng)用FDM 3D打印技術(shù)制造零部件。例如，波音公司應(yīng)用FDM 3D打印技術(shù)制造了包括冷空氣導(dǎo)管在內(nèi)的300種不同的飛機(jī)零部件;空客公司應(yīng)用FDM 3D打印技術(shù)制造了A380客艙使用的行李架。

4.3? 醫(yī)療

某些精密手術(shù)想要取得預(yù)期的治療效果，就必須采取最佳的手術(shù)方式，但通常情況下不允許醫(yī)生通過多次實(shí)踐得出結(jié)論，給手術(shù)帶來一定的難度和風(fēng)險(xiǎn)。FDM 3D打印技術(shù)可以和CT、核磁共振等掃描方法相結(jié)合，在手術(shù)前通過精確打印所需治療部位的器官模型，大大提高一些高難度手術(shù)的成功幾率，增強(qiáng)手術(shù)治療效果。精確打印器官等人體模型的作用并不只局限于提高手術(shù)效果。在當(dāng)今供體越發(fā)稀少且潛在供體不匹配等情況下，通過FDM 3D打印技術(shù)制造的外植體為解決這一緊急問題提供了一種全新的方法。例如，2013年3月，美國OPM公司打印出聚醚醚酮（PEEK）材料的骨移植物，并首次成功地替換了一名患者病損的骨組織;

4.4? 其他領(lǐng)域

在建筑領(lǐng)域，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)能夠制作出符合設(shè)計(jì)需求的建筑物模型， 從而驗(yàn)證樓宇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合要求;在機(jī)器人制造領(lǐng)域，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)能夠一次成型連接件，從而將舵機(jī)連接在一起，完成雙足機(jī)器人的組裝;在模具制造領(lǐng)域，由于 FDM 3D打印技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，對于生產(chǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具具有無與倫比的速度優(yōu)勢。

5? 未來FDM 3D打印技術(shù)的前景

隨著材料的研發(fā)，會(huì)有更多的材料適應(yīng)FDM 3D打印技術(shù)，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)會(huì)應(yīng)用在更多的領(lǐng)域，由于熔融沉積獨(dú)有的優(yōu)勢（速度慢，精度高），未來應(yīng)用在航空方面會(huì)更多。

參考文獻(xiàn)：

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