基于木塑基耗材的增材制造技術(shù)研究進(jìn)展

閆承琳，劉東，劉子昕，李曉旭*

(1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091)

增材制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)也稱3D打印技術(shù)，是通過CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)[1-3]。相比傳統(tǒng)材料去除(切削加工)技術(shù)，其無需刀具和模具等多道加工工藝，將煩瑣的三維制造轉(zhuǎn)換為較為簡單可控的逐層累加的二維制造，大大提升了材料制造的效率，降低了復(fù)雜模型制造的難度。增材制造技術(shù)適用的材料包括塑料、金屬、石膏、木材、凝膠、泡沫等，目前應(yīng)用較多的幾種常見AM工藝包括：熔融沉積成型(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)、光固化成型(stereolithography apparatus，SLA)、粉末床成型[選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，SLS)和選擇性激光熔融(selective laser melting，SLM)]和黏結(jié)劑噴射成型(three dimensional printing，3DP)等[1-4]。增材制造技術(shù)已在航空航天、生物醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，且其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

增材制造技術(shù)研究主要集中在成型原材料、成型工藝、設(shè)備系統(tǒng)3個(gè)方面。1986年第一臺3D打印機(jī)誕生，進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著設(shè)備更新?lián)Q代周期越來越短，增材制造相應(yīng)的建模程序、配套系統(tǒng)和解決方案也都進(jìn)入高速發(fā)展期。近幾年材料工程一躍成為頂級熱門專業(yè)，但是適用于增材制造技術(shù)的材料種類仍然有限，因?yàn)樯a(chǎn)效率低，導(dǎo)致節(jié)省材料成本的效果不足以推動新材料開發(fā)，大多數(shù)研究都集中在制造現(xiàn)有材料和經(jīng)批準(zhǔn)的材料上[5]。木質(zhì)材料取材廣泛、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、輕質(zhì)環(huán)保，改性處理后具有良好的物理化學(xué)性能，以木材、竹材和木質(zhì)纖維素等為基材的3D打印制品，兼具木材天然質(zhì)感和填充材料的良好性能，隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，3D打印木塑基復(fù)合材料制備及其專用增材制造設(shè)備研發(fā)將成為突破增材制造現(xiàn)階段瓶頸的重要選擇之一[6-9]。

近年來，基于木塑基耗材的增材制造技術(shù)研究主要包括木、竹等基材復(fù)合材料的FDM、SLS與3DP等工藝技術(shù)探索與設(shè)備研發(fā)等，筆者基于上述工藝類別，對國內(nèi)外學(xué)者在原材料制備和性能等方面的研究做了較為詳細(xì)的闡述，分析了高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在3D打印工藝提升和設(shè)備研發(fā)中取得的進(jìn)展，最后總結(jié)了基于木塑基耗材的增材制造領(lǐng)域有待解決的問題及未來發(fā)展趨勢。

1 用于增材制造的木塑基耗材研究

木塑復(fù)合材料與天然木材相比具有成本低、耐腐蝕、抗蟲、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是目前最環(huán)保和最具再生利用優(yōu)勢的材料之一[6-7]。木塑復(fù)合材料應(yīng)用3D打印是較為成熟的技術(shù)，目前制備的大多數(shù)新型3D打印木質(zhì)復(fù)合材料都可以劃歸這一范疇?；谀舅芑牟牡脑霾闹圃旃に囘^程中，國內(nèi)外學(xué)者常用的熱塑性基質(zhì)包括聚乳酸(polylactic acid，PLA)、高密度聚乙烯(high density polyethylene，HDPE)、聚丙烯(polypropylene， PP)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile butadiene styrene，ABS)、熱塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane，TPU)等，很多研究都涉及其中一種或幾種[6-7,9]。

1.1 原材料制備

聚乳酸原料來源充足、可以再生、易于降解和打印，在基于木塑基耗材的增材制造領(lǐng)域通常作為基材。Tao等[10]制備了一種新型木粉(wood flour，WF)/聚乳酸復(fù)合長絲，分析驗(yàn)證了其適用于FDM工藝的可行性。解光強(qiáng)[11]采用不同的甘油和檸檬酸三丁酯(TBC)組合作為增塑劑，通過熔融擠出法制備了一種木粉-聚乳酸3D打印纖維。董倩倩等[12]用PLA和化學(xué)改性松木粉(pine wood flour，PWF)聚合，輔以少量納米二氧化硅(nano-SiO2)，制備了適用于FDM工藝的木塑復(fù)合材料。Yang等[13]采用熔融共混法制備了具有高光澤和抗菌性能的微米級銅鋅合金顆粒-增強(qiáng)刨花板木粉/聚乳酸(mCu-Zn/PWF/PLA)木塑復(fù)合材料作為FDM的線材。TPU和ABS也是目前比較成熟的3D打印基材，與木質(zhì)材料復(fù)合發(fā)揮了其獨(dú)特的材料屬性、優(yōu)良的力學(xué)性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。Bi等[14]采用3D打印技術(shù)，以木粉/熱塑性聚氨酯作為復(fù)合長絲，制備了不同木粉含量和不同改性劑的WF/TPU復(fù)合材料。趙子瑨[15]為了系統(tǒng)研究材料組成與3D打印材料性能間的關(guān)系，運(yùn)用FDM工藝制備了一種針葉漿/ABS木塑復(fù)合材料。

天然植物纖維密度低、機(jī)械性能優(yōu)良、價(jià)格較低、環(huán)境友好，通常作為增強(qiáng)組分以改善3D打印材料性能，木質(zhì)纖維素(包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)生物質(zhì)復(fù)合材料的開發(fā)利用使增材制造技術(shù)更具吸引力和市場潛力[16]。Zander等[17]采用固態(tài)剪切粉碎工藝，回收聚丙烯、廢紙板和木粉等材料制成了可用于FDM的聚丙烯/纖維素復(fù)合材料。馬森[18]利用蘆葦(PhragmitesAustralis)酶解后的固體殘?jiān)湍举|(zhì)素制備了新型3D打印復(fù)合材料。

納米纖維素根據(jù)結(jié)晶度高低可分為纖維素納米晶(cellulose nanocrystal，CNC)和纖維素納米纖維(cellulose nanofiber，CNF)，可以用幾乎所有植物資源作為原料，重量是鋼鐵的1/5，強(qiáng)度卻是鋼鐵的5倍以上，也是高分子復(fù)合材料中常用的增強(qiáng)組分。Markstedt等[19]將CNF與一種從云杉(PiceaasperataMast)中提取的木聚糖(半纖維素)混合，制備了一種全木質(zhì)3D打印仿生油墨。劉灝[20]采用甘蔗(Saccharumofficinarum)渣纖維和從針葉木漿中提取的纖維素納米晶(CNC)對PLA 進(jìn)行改性，制備了可用于FDM的新型纖維素/PLA生物質(zhì)復(fù)合材料?？裳h(huán)再生、可降解的納米纖維素的出現(xiàn)，極大地推動了3D打印木塑復(fù)合材料的發(fā)展。

1.2 性能研究

材料的機(jī)械性能，尤其力學(xué)性能是材料的重要性能指標(biāo)之一。Pitt等[21]研究了由可循環(huán)利用木材廢料制成的3D打印耗材結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，將木粉、黏結(jié)劑和玻璃纖維混合可增強(qiáng)耗材的力學(xué)性能。Kariz等[22]研究了不同木材含量對FDM長絲物理、機(jī)械和流變性能的影響。Le Guen等[23]發(fā)現(xiàn)利用聚乳酸雙螺桿擠出復(fù)合法(稻殼和木粉為原料)制備的FDM長絲中，兩種生物質(zhì)對化合物的流變行為和擠出過程的整體穩(wěn)定性有不同的影響。Badouard等[24]采用由亞麻纖維和薄片開發(fā)的可生物降解3D打印纖維，測試了不同基質(zhì)FDM長絲的力學(xué)性能。Vaidya等[25]發(fā)現(xiàn)聚羥基丁酸酯(polyhydroxybutyrate，PHB)復(fù)合材料(含生物煉制木質(zhì)素)的剪切變薄特性可在3D打印過程中增強(qiáng)層間的黏附性。

材料的相容性/化學(xué)反應(yīng)性是改性研究的重點(diǎn)之一。閆承琳等[26]利用馬來酸酐等對竹粉與HPDE混合粉末進(jìn)行改性，研究了基于3DP快速成型技術(shù)的竹塑復(fù)合材料界面相容性。姜凱譯等[27]以紅木粉與聚醚砜(PES)的混合粉末為主要原料、電氣石粉末為功能填料制備的木塑基復(fù)合材料為實(shí)驗(yàn)對象，研究了該材料組分間的SLS界面結(jié)合機(jī)理。使用偶聯(lián)劑能夠提高材料界面的結(jié)合強(qiáng)度，硅烷偶聯(lián)劑是一類廣泛應(yīng)用于天然纖維與高分子材料界面結(jié)合的高效偶聯(lián)劑。陸穎昭等[28]采用硅烷偶聯(lián)劑KH550對以漂白針葉木漿、聚乙二醇和二氯甲烷為原料制備的微納纖維素(MNC)進(jìn)行改性，研究了其對熔融共混法制備的MNC/PLA復(fù)合材料斷面形態(tài)、機(jī)械性能和3D打印性能的影響。Jiang等[29]采用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)對3D打印木質(zhì)纖維素/聚乳酸復(fù)合材料進(jìn)行表面改性，并進(jìn)行了紅外、X射線衍射、掃描電子顯微鏡、能量色散光譜、熱重分析和力學(xué)性能測試。

2 基于木塑基耗材的增材制造工藝

隨著木塑基耗材增材制造技術(shù)在原材料制備上的突破，普通3D打印設(shè)備對更多材料的適用性增強(qiáng)，同時(shí)增材制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范逐年增加，給基于木塑基耗材的增材制造工藝方法創(chuàng)新和技術(shù)提升奠定了基礎(chǔ)。木塑基耗材增材制造成型工藝方法研究目前主要包括基于木、竹基復(fù)合材料的FDM、SLS與3DP等。

2.1 木塑基耗材的熔融沉積工藝

FDM長絲為熱熔性線材，能適用于金屬粉末材料、高分子熱塑性材料、木質(zhì)復(fù)合材料等幾乎全部種類材料的增材制造?；谀舅芑牟牡腇DM工藝多以樹脂包覆木、竹粉末顆粒與填充顆粒熔融擠壓后，堆積成型制成3D打印線材，是基于木塑基耗材增材制造領(lǐng)域應(yīng)用最早、最廣泛的工藝，近10年來已實(shí)現(xiàn)了成熟的工廠化生產(chǎn)[30-31]。從2012年開始，德國Orbi-Tech公司利用木粉顆?；旌螾LA研制了LayWoo-d3的3D打印線材，其中原材料40%是回收木材，線材在175～250 ℃高溫下利用普通FDM設(shè)備完成成型加工，該公司研制的LayWoo-d3最新線材直徑可達(dá)1.75 mm，采用LayWoo-d3能夠打印出具有不同木紋的成型件，如圖1所示。2013年，廣州傲趣電子科技公司研發(fā)了基于FDM技術(shù)的專業(yè)木質(zhì)線材，線材的木材含量不低于10%，相比LayWoo-d3線材更適應(yīng)國產(chǎn)FDM設(shè)備。2014年，波蘭的工程師團(tuán)隊(duì)利用FDM的木質(zhì)線材(LayWoo-d3和ColorFabb Woodfill Fine)打印出了一種木材質(zhì)感的功能腕表Jelwek，樣式別致美觀，如圖2所示。2015年，捷克Fillamentum公司將推出的Timberfill長絲種類擴(kuò)展到4種，包括Timberfill Cinnamon(肉桂)、Timberfill Champagne(香檳)、Timberfill Light Wood(輕色木)、Timberfill Rosewood(紅木)，直徑有1.75和2.85 mm 兩種，這種長絲可實(shí)現(xiàn)100%生物降解。2015年，荷蘭FormFutura公司也推出一種木質(zhì)填充PLA纖維的3D打印線材，這款名為EasyWood的線材木材填充量達(dá)到40%，直徑為1.75 mm，其優(yōu)勢是長絲基本無翹曲，利用EasyWood線材可以通過溫度的變化改變色調(diào)和顏色，根據(jù)含有的木質(zhì)成分已經(jīng)推出7種材料，依次是Olive(橄欖)、Birch(樺木)、Ebony(黑檀)、Pine(松木)、Willow(柳木)、Cedar(雪松)和Coconut(椰子)，如圖3所示。

圖1 德國LayWoo-d3系列線材和成型件Fig. 1 German LayWoo-d3 series 3D-filament and molding parts

圖2 波蘭團(tuán)隊(duì)3D打印的功能腕表JelwekFig. 2 Polish team 3D-printed functional watch Jelwek

圖3 荷蘭EasyWood成型件Fig. 3 Netherlands EasyWood molding parts

2.2 木塑基耗材的激光燒結(jié)工藝

SLS可用于燒結(jié)和固化金屬基、陶瓷基和高分子基粉末等材料，成型件機(jī)械性能好、強(qiáng)度高，無需模具等支撐，可供選用材料種類多，但設(shè)備成本較高，成型件表面較粗糙，疏松多孔，需要進(jìn)行后處理[9,31-32]。2010年起，東北林業(yè)大學(xué)郭艷玲團(tuán)隊(duì)提出了木塑復(fù)合材料SLS成型工藝方案，利用木質(zhì)纖維和高分子塑料混合而成的粉末燒結(jié)成型木塑復(fù)合材料，針對成型工藝及后處理技術(shù)等開展了大量相關(guān)研究，開發(fā)的成型制品精度達(dá)到0.1 mm，擴(kuò)展了SLS的應(yīng)用范圍[27,33]。2015年，比利時(shí)Materialise公司推出了一種適用SLS工藝的褐色木片粉末材料，采用該精細(xì)顆?？梢源蛴〕鼍哂形⒍嗫缀拓S富顆粒感的3D打印工藝品，如圖4所示。目前市場上還未將木塑復(fù)合粉末這類環(huán)境友好型材料大量應(yīng)用到SLS 技術(shù)上，仍存在缺乏相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國外龍頭企業(yè)壟斷、國內(nèi)企業(yè)局限于技術(shù)壁壘等問題，造成SLS可用原材料成本居高不下[2,9]。因此，基于木塑基耗材的SLS工藝在成型件后處理復(fù)雜工藝簡化、成型精度與強(qiáng)度提高，以及成本控制方面仍需進(jìn)一步突破。

圖4 Materialise公司推出的激光燒結(jié)木質(zhì)制品Fig. 4 Laser sintering wood material developed by Materialise

2.3 木塑基耗材的黏結(jié)劑噴射工藝

3DP是微滴噴射原理與粉末床成型相結(jié)合的增材制造工藝，打印速度快，可制作彩色原型，實(shí)現(xiàn)常溫成型。噴射成型結(jié)合光固化后效率大大提高，相比激光制造的最大優(yōu)點(diǎn)是突破了尺寸限制，使得打印尺寸達(dá)到數(shù)米，但成型強(qiáng)度略低，致密性不強(qiáng)[2,4]。2013年起，閆承琳團(tuán)隊(duì)把黏結(jié)劑微滴噴射粉末材料成型原理與紫外光快速固化液體樹脂技術(shù)相結(jié)合，基于木質(zhì)材料特性，開展了以竹木加工剩余物為主原料的基于木塑基耗材的增材制造研究，充分發(fā)揮3DP技術(shù)常溫成型的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了木塑基耗材制品的中低溫(加工溫度不超過130 ℃)增材制造，將成型精度控制在0.1 mm，同時(shí)木粉含量突破20%[11,26]。2021年，美國DesktopMetal公司宣布推出以鋸末和木質(zhì)素為原材料的ForustTM工藝，采用單程黏合劑噴射技術(shù)，打印部件具有與常規(guī)木材一致的功能性和剛度，如圖5所示。3DP成型工藝技術(shù)的研究為增材制造提供了一種新型環(huán)保、節(jié)能的低成本綠色制造方式，但在常溫成型、成型精度和強(qiáng)度方面仍需突破性進(jìn)展。

圖5 采用ForustTM工藝打印的木質(zhì)制品Fig. 5 Wood products printed with ForustTM

2.4 其他工藝

除上述研究外，國內(nèi)外學(xué)者基于其他工藝方法，對木塑基耗材增材制造領(lǐng)域做出了新的探索[34]。Kam等[35]展示了由木質(zhì)復(fù)合材料作為打印對象組成的三維結(jié)構(gòu)，并將木粉、細(xì)粉狀木材或再生木材(被認(rèn)為是木材工業(yè)的低價(jià)值副產(chǎn)品)與由纖維素納米晶體和木葡聚糖組成的黏合劑結(jié)合使用，借此可以從工業(yè)支流中提取材料。哥倫比亞大學(xué)3D打印實(shí)驗(yàn)室使用體素映射以重建木材的外部和內(nèi)部紋理，利用Inkjet-style技術(shù)混合不同的樹脂材料打印制造內(nèi)部和表面全彩色木紋理的部件[36]。Jiang等[37]開發(fā)了一種低成本的直接油墨印刷策略來制造基于木質(zhì)素的三維結(jié)構(gòu)，證明了可生物降解材料在某些應(yīng)用領(lǐng)域顯示出取代塑料的巨大潛力。Tao等[38]根據(jù)木材結(jié)構(gòu)的各向異性，利用μ-CT技術(shù)重構(gòu)組合成新的三維模型，研究了基本模型的排列布置與3D打印木塑基復(fù)合材料抗壓性能之間的關(guān)系。Sang等[39]利用圖像處理和表面處理技術(shù)，提出了一種能在木質(zhì)基材上打印出三維木材紋理的數(shù)字化UV固化噴墨技術(shù)。

3 基于木塑基耗材的增材制造設(shè)備研發(fā)

3.1 木塑基耗材的熔融沉積成型設(shè)備

FDM增材制造設(shè)備(圖6)主要由三維移動機(jī)構(gòu)、擠出裝置、熱熔噴頭以及成型平臺組成。工作過程是經(jīng)由送絲機(jī)構(gòu)將上述長絲狀熱熔性線材送進(jìn)熱熔噴頭，線材在噴頭內(nèi)加熱熔融，同時(shí)噴頭沿零件切片輪廓和填充軌跡運(yùn)動，并將熔融后的材料擠出，使其沉積在指定的位置后凝固成型，并與前一層已經(jīng)成型的材料黏結(jié)，層層堆積最終形成產(chǎn)品模型[1,4,31]。

圖6 FDM成型原理Fig. 6 Forming principle of FDM

FDM設(shè)備價(jià)格便宜、工作平穩(wěn)、材料利用率高，目前國內(nèi)外生產(chǎn)廠家仍利用普通FDM增材制造設(shè)備完成木質(zhì)線材熔融堆積成型打印。美國Stratasys公司的FDM設(shè)備成型精度達(dá)0.2 mm，使用木質(zhì)線材打印的成型件強(qiáng)度較高，且更換材料只需用時(shí)幾分鐘，可以滿足從概念模型到耐用零件的打印。Prusa i3 3D打印機(jī)是一款采用Cura軟件的開源3D打印機(jī)，打印尺寸為200 mm×200 mm×200 mm，外觀簡單但功能齊全，其中Jelwek Prusa i3 3D打印機(jī)可兼容各種材料，包括PLA、尼龍、Laywood、Woodfill等。東北林業(yè)大學(xué)以STM32為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一款擠出式木塑顆粒3D打印機(jī)，選用小型螺桿作為打印機(jī)的送料裝置，保留普通FDM打印機(jī)的三維運(yùn)動平臺，探索研制木塑復(fù)合材料FDM工藝增材制造專用設(shè)備[33]。FDM工藝目前存在成型精度較低、成型件表面質(zhì)量較差等問題，不適合精密儀器零部件的生產(chǎn)。

3.2 木塑基耗材的選擇性激光燒結(jié)成型設(shè)備

SLS成型設(shè)備(圖7)主要由供粉缸、成型缸、激光器、激光器光路系統(tǒng)、振鏡系統(tǒng)以及推粉裝置組成。工作過程首先是鋪粉機(jī)構(gòu)將一層很薄的粉末(金屬、陶云瓷、木塑混粉)等鋪平到工作平面上，數(shù)控系統(tǒng)操控激光束按照該層截面輪廓在粉層上進(jìn)行掃描照射而使粉末的溫度升至熔點(diǎn)，燒結(jié)形成一個(gè)層面，使粉末熔融固化成截面形狀。當(dāng)一層截面燒結(jié)完成后，工作臺下降一個(gè)層厚，再次運(yùn)行鋪粉機(jī)構(gòu)在已燒結(jié)粉層表面均勻鋪粉，進(jìn)行下一層燒結(jié)，如此反復(fù)直至成型件完全成型[1,4,9]。

圖7 SLS成型原理Fig. 7 Forming principle of SLS

從21世紀(jì)開始，歐洲和美國陸續(xù)推出如Pwdr、Focus、CASA等激光燒結(jié)3D打印機(jī)，但木質(zhì)材料與激光燒結(jié)設(shè)備結(jié)合的技術(shù)較為粗糙并且進(jìn)展緩慢。郭艷玲團(tuán)隊(duì)根據(jù)SLS的工藝要求，設(shè)計(jì)了一種基于Arduino控制系統(tǒng)的激光3D打印機(jī)，采用國產(chǎn)CO2激光發(fā)生器，使設(shè)備可以燒結(jié)尼龍、樹脂、木塑等大部分非金屬材料，目前已成功研制出樣機(jī)，填補(bǔ)了國內(nèi)木塑基耗材激光燒結(jié)打印設(shè)備的空白[40-41]?，F(xiàn)階段，木塑基耗材的SLS設(shè)備在通用性、成本、精度等方面依舊存在著較大的發(fā)展提升空間。美國3D Systems、德國EOS和TPM3D盈普團(tuán)隊(duì)、中國華中科技大學(xué)和北京隆源有限公司等國內(nèi)外企業(yè)和科研院校都在現(xiàn)有基礎(chǔ)上積極拓展激光燒結(jié)設(shè)備適用材料的范圍。

3.3 木塑基耗材的黏結(jié)劑噴射成型設(shè)備

3DP成型設(shè)備(圖8)主要由供粉機(jī)構(gòu)、鋪粉裝置、黏結(jié)劑噴射系統(tǒng)、三維運(yùn)動系統(tǒng)和固化裝置等組成，利用黏結(jié)劑噴射系統(tǒng)打印噴頭逐點(diǎn)噴射黏結(jié)劑來粘接粉末材料的方法制造原型件。工作過程中鋪粉裝置將工作臺粉末鋪平，噴頭隨即按照系統(tǒng)設(shè)定路徑將液態(tài)黏結(jié)劑噴射在預(yù)先粉層上的指定區(qū)域中，上一層黏結(jié)完畢后，成型缸下降一個(gè)距離(等于層厚)，供粉缸上升一個(gè)層厚的高度，完成系統(tǒng)供粉、粉末鋪平并被壓實(shí)、黏結(jié)劑噴射、多余粉末回收至集粉裝置等流程。如此反復(fù)送粉、鋪粉和噴射黏結(jié)劑，最終完成三維粉體的黏結(jié)固化成型[1-2,4,9]。

圖8 3DP成型原理Fig. 8 Forming principle of 3DP

1993年，麻省理工學(xué)院(MIT)發(fā)明了基于噴墨原理的3D打印成型工藝和黏結(jié)劑噴射式3D打印機(jī)。進(jìn)入21世紀(jì)后，美國3D SYSTEMS公司采用單噴頭多噴嘴技術(shù)研制了全彩、快速打印復(fù)合材料的低成本ProJet系列黏結(jié)劑噴射3D打印機(jī)，Voxeljet公司推出了層厚0.12～0.30 mm、成型效率高達(dá)139 L/h的超大成型尺寸(4 000 mm×2 000 mm×1 000 mm)的砂模黏結(jié)劑噴射3D打印機(jī)。DesktopMetal公司旗下的Shop System或RAM 336 3D打印機(jī)適合批量打印中小型木質(zhì)零件，最大能夠打印1 800 mm×900 mm×300 mm的木制品。閆承琳團(tuán)隊(duì)研制了基于紫外光快速固化與黏結(jié)劑噴射技術(shù)的木塑基耗材3D打印裝置，之后開發(fā)了集鋪粉、噴射、固化和后處理多功能于一體的林業(yè)生物質(zhì)專用黏結(jié)劑噴射成型設(shè)備，目前，木塑基耗材3DP設(shè)備的主要突破方向是高精度、低成本、超大尺寸快速打印，以及工業(yè)級專用3DP設(shè)備[11,26]。美國ExOne和Systems公司、德國Voxeljet公司、中國上海富奇凡公司等企業(yè)和科研院校都在現(xiàn)有基礎(chǔ)上積極研發(fā)適用多類復(fù)合材料的3DP設(shè)備。

3.4 其他設(shè)備

目前增材制造正趨于系統(tǒng)化、平臺化、生態(tài)化，黏結(jié)劑、粉末回收處理和多噴頭噴嘴等技術(shù)的進(jìn)步有效促進(jìn)了相關(guān)增材制造工藝或裝備的發(fā)展。2019年，成都新柯力化工公司發(fā)明了一種以植物纖維和木質(zhì)素為主要原材料的可以快速固化木質(zhì)材料的3D打印用黏結(jié)劑，解決了傳統(tǒng)木材黏結(jié)劑雖然具有良好的粘接強(qiáng)度，但固化時(shí)間過長而不適用于3D打印的問題。2019年，華曙高科研制了一種清粉和篩粉集成裝置及粉末回收處理系統(tǒng)，提高了粉末轉(zhuǎn)運(yùn)和清理效率。HP噴頭推出了包含26 560個(gè)噴嘴的噴頭，分辨率200 dpi，層厚0.12～0.30 mm，有效提高了增材制造的打印速度。青島科技大學(xué)發(fā)明的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料微反應(yīng)噴頭，通過增加連續(xù)纖維與基體材料間的作用程度和作用時(shí)間提高二者間的粘接強(qiáng)度，從而提高產(chǎn)品整體機(jī)械性能。

國際上，ISO/TC 261、CEN/TC438和ASTM F42已經(jīng)達(dá)成協(xié)議，共同構(gòu)建和執(zhí)行同一套增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系，制定和實(shí)施同一套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)于2016年成立全國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC 562)，通過一批高質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)施，充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)對增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)制和引領(lǐng)作用，尤其是圍繞增材制造設(shè)備可靠性、穩(wěn)定性、安全性等需求，制定增材制造設(shè)備安全和性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。基于木塑基耗材的增材制造技術(shù)發(fā)展同樣迫切需要制定實(shí)施相關(guān)國家、行業(yè)或團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)木塑基耗材制品增材制造專用材料、工藝、設(shè)備、檢測等一系列工作，進(jìn)而推動工業(yè)級木塑基耗材增材制造設(shè)備研發(fā)進(jìn)程，通過制定和實(shí)施測試方法標(biāo)準(zhǔn)，提高增材制造技術(shù)及產(chǎn)品的市場適應(yīng)能力，拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。

4 問題與展望

4.1 存在問題

目前，基于木塑基耗材的增材制造還存在一些需要解決的問題與挑戰(zhàn)，主要包括：①3D打印木塑基復(fù)合材料的木質(zhì)含量較低，耗材品種偏少。首先，如何在生產(chǎn)具有“減材”制造相同機(jī)械強(qiáng)度復(fù)合材料及制品的同時(shí)，制備高木質(zhì)含量打印線材或打印混粉，更好地發(fā)揮木材天然屬性優(yōu)勢，是原材料制備的重點(diǎn)突破方向之一。其次，原材料制備目前主要集中在木、竹材料，其他秸稈等生物質(zhì)材料增材制造還較為少見，通過擴(kuò)展木質(zhì)纖維來源、豐富3D打印木塑基耗材品種從而降低材料成本，也是原材料制備的關(guān)注點(diǎn)之一。②制品機(jī)械強(qiáng)度、成型精度和表面質(zhì)量等材料性能有待提高。與金屬顆粒、碳纖維等材料相比，木竹粉末、木竹纖維等在粒度、均勻性和層密度等指標(biāo)上存在的差距在一定程度上會影響工藝過程中原材料加工、填料尺寸、供粉方式、加工溫度、打印方向和后處理方法等，進(jìn)而影響制品內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密性、層間附著力、力學(xué)強(qiáng)度以及成型精度等，導(dǎo)致3D打印木塑基復(fù)合材料目前仍偏重概念模型、模具和工藝品等應(yīng)用領(lǐng)域。由此，可以針對不同成型工藝，重點(diǎn)開展基于成型制品制備全過程的3D打印工藝研究，建立基于木質(zhì)生物質(zhì)材料基本特性下制備、固化、成型和后處理等全工藝過程的有機(jī)統(tǒng)一與優(yōu)化，以及利用增減材復(fù)合制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高精度、更高維度，進(jìn)而達(dá)到制品性能、功能與成本之間的平衡，同時(shí)擴(kuò)展應(yīng)用范圍。③設(shè)備成型質(zhì)量不高，成型效率偏低，缺乏能耗水平評估?；谀舅芑牟牡脑霾闹圃炷壳盎臼墙栌闷渌牧铣尚驮O(shè)備，木質(zhì)材料與其他金屬或高分子材料的差異、相應(yīng)成型工藝的差異，以及依附于設(shè)備的控制系統(tǒng)等尚未能實(shí)現(xiàn)專用化的現(xiàn)狀，導(dǎo)致了材料對通用設(shè)備的不適應(yīng)性、設(shè)備打印精度低等問題。因此，針對木質(zhì)材料特性，可以從利用在線監(jiān)測和溫度場控制等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)高精度成型，以及從通過引入多噴頭、多激光和還原光聚合等方法提高打印速度等多方面入手，逐步解決上述問題，促進(jìn)木塑基耗材增材制造設(shè)備的研制。

4.2 發(fā)展趨勢

木、竹等生物質(zhì)材料取材豐富、分布廣泛、性能優(yōu)良，是具有低污染性、實(shí)現(xiàn)碳中和的可再生資源之一，基于木塑基耗材的增材制造實(shí)現(xiàn)了可再生資源的持續(xù)利用。木粉和木質(zhì)纖維等作為基材或者功能性添加劑等應(yīng)用于增材制造，替代碳或玻璃等填充聚合物基體，有效降低了增材制造的原材料成本。利用木、竹等生物質(zhì)材料開發(fā)不同應(yīng)用類別的成型產(chǎn)品，可改善成型產(chǎn)品性能，使其更具天然木質(zhì)感與吸引力，也為3D打印木塑基復(fù)合材料在日常生活中的廣泛應(yīng)用提供了契機(jī)。

預(yù)計(jì)未來基于木塑基耗材的增材制造可能的發(fā)展趨勢主要包括：①木塑基耗材增材制造專用原材料、專用設(shè)備的研發(fā)。木塑復(fù)合材料傳統(tǒng)成型工藝所用原材料無法滿足增材制造需要，F(xiàn)DM、SLS和3DP等不同工藝成型同一材料時(shí)，對原材料要求也不相同，同種材料利用同種工藝成型，不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)υ牧弦笠膊灰粯?。目前適用木質(zhì)材料的FDM、SLS和3DP 3種工藝均利用通用設(shè)備完成成型加工，以3DP技術(shù)為例，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)木質(zhì)材料的增材制造，但仍需根據(jù)木質(zhì)纖維特性和固化機(jī)理，對設(shè)備鋪粉方式、黏結(jié)劑噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、固化成型方法等進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)完成專用化改造，才能實(shí)現(xiàn)木塑3D打印制品的高質(zhì)量成型。因此，以現(xiàn)有制備理論和工藝為基礎(chǔ)，針對高效和批量化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)專用耗材制備和專用設(shè)備研發(fā)，在此基礎(chǔ)上，才能實(shí)現(xiàn)基于木塑基耗材的增材制造技術(shù)從概念驗(yàn)證應(yīng)用轉(zhuǎn)向產(chǎn)品的大規(guī)模和商業(yè)化生產(chǎn)。②木塑基耗材增材制造評價(jià)與標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。專用裝備和工藝研究的缺乏以及相關(guān)應(yīng)用尚未形成規(guī)模，導(dǎo)致木塑基耗材增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)嚴(yán)重落后于其他材料體系。目前國內(nèi)外迫切需要完整的木質(zhì)材料增材制造解決方案，基于木塑基耗材增材制造全過程研究，未來開展原材料評價(jià)、裝備評價(jià)和服役性能評價(jià)，建立木塑基耗材制品全生命周期的綜合評價(jià)與標(biāo)準(zhǔn)體系，是解決技術(shù)研究到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵所在。