高速高強(qiáng)熔融沉積成型技術(shù)研究進(jìn)展

朱家威，潘 威，黃士爭(zhēng)，MOHINI Sain，楊衛(wèi)民，鑒冉冉，*

（1. 青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2. 多倫多大學(xué)機(jī)械與工業(yè)工程系，生物復(fù)合材料及生物質(zhì)材料加工中心，安大略省 多倫多 M5S 3B3；3. 北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029）

0 前言

FDM 是3D 打印技術(shù)的一種，因其制造工藝方便［1］、材料制備簡(jiǎn)單、成本效益高，可在大多數(shù)環(huán)境下制造出所需的復(fù)雜零件，而成為工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)、建筑制造、文化藝術(shù)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［2］。但FDM 自身的局限性限制了其在重要工業(yè)構(gòu)件上的推廣使用。其制造原理是將加熱后的材料以細(xì)絲狀鋪設(shè)在每一層中［3?4］，但材料的層層堆疊易出現(xiàn)層間粘接不牢的情況，導(dǎo)致打印強(qiáng)度下降［5］。此外，與傳統(tǒng)的塑料制造技術(shù)（如注射成型）相比，F(xiàn)DM 的打印速度較慢，無法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。因此，如何在保證打印精度的前提下提高FDM制件的力學(xué)強(qiáng)度、縮短成型時(shí)間，對(duì)于該技術(shù)的發(fā)展具有重要的研究?jī)r(jià)值。

在過去10 年內(nèi)，相關(guān)學(xué)者全方面研究了打印中的細(xì)節(jié)對(duì)打印件強(qiáng)度和制造時(shí)間的影響，如打印時(shí)的沉積參數(shù)、輪廓參數(shù)、掃描路徑和噴嘴溫度等［6?10］。但這些基于打印參數(shù)優(yōu)化的方法對(duì)強(qiáng)度和速度的提高十分有限，單單依靠打印參數(shù)的優(yōu)化還不足以解決FDM 技術(shù)所面臨的限制。為此，本文從多個(gè)方面探討了關(guān)于提高FDM 技術(shù)打印強(qiáng)度和速度的諸多嘗試，其中包括優(yōu)化層間結(jié)合、材料性能改善（纖維復(fù)合材料）、設(shè)備模塊優(yōu)化以及優(yōu)化打印策略（如螺桿式打印、注射打印）等。相信通過對(duì)目前FDM 所面臨的限制與改善措施的深刻理解，會(huì)激發(fā)新的機(jī)器設(shè)計(jì)，在打印強(qiáng)度和速度上實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展，從而擴(kuò)大FDM技術(shù)的應(yīng)用。

1 打印強(qiáng)度優(yōu)化研究進(jìn)展

1.1 打印件層間結(jié)合的改善

FDM 制造過程中的層間結(jié)合性能是決定打印件質(zhì)量的關(guān)鍵。而在細(xì)絲擠出沉積時(shí)，相鄰細(xì)絲間由于巨大的溫度差異，結(jié)合效果并不理想，嚴(yán)重影響了打印件在堆積方向的力學(xué)性能。為了改善這種缺陷，傳統(tǒng)FDM 制造通常會(huì)采用較小的打印厚度來增強(qiáng)相鄰層間的熱傳遞，但這也會(huì)導(dǎo)致打印時(shí)間的幾何倍增長(zhǎng)。因此，為保證在原有基礎(chǔ)上有效提高打印質(zhì)量，需要研究如何優(yōu)化熱處理過程，減少熱耗散并改善部件層間結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)更牢固的層間黏結(jié)。

打印質(zhì)量受打印層界面結(jié)合的影響，而打印層溫度是影響界面結(jié)合的關(guān)鍵因素。為了保證打印層溫度均勻，減小相鄰細(xì)絲間的溫度差異，增強(qiáng)打印層的界面黏合，多采用在噴嘴周圍增設(shè)熱輔助裝置的方法。Han等［11］開發(fā)了一種對(duì)打印方向進(jìn)行激光預(yù)熱的方法如圖1（a）所示，從而改善打印時(shí)相鄰細(xì)絲間的溫度差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，打印件的拉伸強(qiáng)度提高了178 %，各向同性值提高了82.8 %。Alberto 等［12］通過加熱輥的壓力和熱量來增加細(xì)絲間表面接觸和界面擴(kuò)散如圖1（b）所示，但由于打印設(shè)備只能進(jìn)行簡(jiǎn)單零件的制備，其實(shí)用性有限。Ravoori 等［13］使用加熱塊來提高噴嘴周圍的溫度如圖1（c）所示，并研究了加熱塊在噴嘴前、后和前后同時(shí)裝配情況下打印層的溫度分布。結(jié)果表明，當(dāng)加熱塊前后同時(shí)配置時(shí)，打印層溫度分布最優(yōu)，層間結(jié)合最好。Du 等［14］比較了不同激光加熱方向?qū)缑娼Y(jié)合行為的影響，并指出垂直打印方向的激光束能以更高的能量強(qiáng)度覆蓋更多的打印區(qū)域，尤其在打印層Z方向上的能量擴(kuò)散，能有效增強(qiáng)聚合物的層間擴(kuò)散，最大可使丙烯腈?丁二烯?苯乙烯共聚物（ABS）部件的拉伸強(qiáng)度增強(qiáng)195%。事實(shí)證明，通過增設(shè)熱輔助裝置以改善噴嘴周圍溫度場(chǎng)，是增強(qiáng)打印件整體質(zhì)量的重要手段。但大部分設(shè)備只考慮了單方向的打印與加熱，雖然有研究人員通過在噴頭處加裝旋轉(zhuǎn)軸與加熱裝置耦合［15?16］，以改善打印和加熱的靈活性，但這樣做會(huì)對(duì)噴頭系統(tǒng)產(chǎn)生影響，如噴頭重量變大、穩(wěn)定性變差等，從而影響打印精度。

圖1 打印過程熱處理Fig.1 Heat treatment during the printing process

此外，相關(guān)研究人員也在積極探索新的方法來優(yōu)化FDM 打印過程熱處理，以提高打印質(zhì)量和效率。例如，Maidin 等［17?18］發(fā)現(xiàn)在真空低壓或氮?dú)猸h(huán)境下打印，可有效減少空氣對(duì)流引起的熱損失，從而延長(zhǎng)打印層處于高溫狀態(tài)的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與常規(guī)狀態(tài)下打印的試樣相比，樣品層間結(jié)合性能更好，拉伸強(qiáng)度提高了12.83 %。而Li等［19］通過在打印后輔以超聲振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)打印件層與層之間的摩擦結(jié)合。研究顯示，超聲強(qiáng)化后，試樣拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別提高了11.3 %和16.7 %。Sweeney 等［20］選用內(nèi)部具有均勻混合的碳納米管熱塑性材料進(jìn)行打印，利用碳納米管在微波輻射下產(chǎn)生熱反應(yīng)的特性，在打印過程中對(duì)打印界面進(jìn)行“焊接”。研究發(fā)現(xiàn)，這種方法可以使打印件Z方向強(qiáng)度提高31 %，拉伸強(qiáng)度達(dá)到注塑水平。

近年來，為解決FDM 打印制品韌性和強(qiáng)度問題，研究人員從仿生結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，引入自然界復(fù)雜的層間結(jié)構(gòu)（如螺旋疊層結(jié)構(gòu)）來改善制品性能。在螳螂蝦外骨骼纖維鋪層的啟發(fā)下，Liu 等［21?23］搭建了單螺旋和雙螺旋疊層結(jié)構(gòu)打印件的模型，并測(cè)試了其沖擊性能。結(jié)果表明，螺旋疊層結(jié)構(gòu)可以改變制品內(nèi)部裂紋擴(kuò)展方向，從而耗散沖擊能量，并使樣品的沖擊性能達(dá)到了與壓縮實(shí)心板相媲美的水平。此外，雙螺旋結(jié)構(gòu)的沖擊性能更佳，而連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的螺旋復(fù)合材料具有更顯著的沖擊能量吸收能力［24］。研究還指出，裂紋偏轉(zhuǎn)對(duì)于減少裂紋擴(kuò)展起著重要作用?？傊?，仿生打印技術(shù)借鑒自然界的設(shè)計(jì)原則，提高了打印件的抗沖擊性，同時(shí)與注塑或壓縮成型技術(shù)相比，避免了制造時(shí)間、成本和復(fù)雜性方面的額外投入，為高速高強(qiáng)熔融成型技術(shù)提供了有益的思路和方法。

1.2 打印材料的強(qiáng)化研究

為了突破傳統(tǒng)打印材料的性能限制，提高FDM 打印件的整體質(zhì)量，需要開發(fā)高性能打印材料。其中，材料改性是一種常用的方法，通過將具有所需性能的組分或填料引入到純聚合物原料中，以提高FDM 打印部件的力學(xué)性能或?qū)娱g結(jié)合力。這些新型材料可以分為3 類：混合材料、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

強(qiáng)化沉積材料層間結(jié)合性能對(duì)提升FDM 技術(shù)的實(shí)用性、增強(qiáng)打印件堆積方向（Z方向）力學(xué)性能和各向同性至關(guān)重要［25］。為此，我們可以采用共混改性、添加界面活性劑和結(jié)構(gòu)化長(zhǎng)絲等材料共混策略來改善材料的界面結(jié)合性。Yamamoto 等［26］利用超聲波均質(zhì)器，將表面含羧基和羥基官能團(tuán)的低負(fù)荷氧化石墨烯納米片均勻的擴(kuò)散到ABS 中，以增強(qiáng)材料的界面黏附性。Appuhamillage 等［27］則將聚乳酸（PLA）與Diels?Alder 反應(yīng)官能團(tuán)混合形成的共混物作為打印材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，官能團(tuán)可以在高溫下解聚、低溫下聚合，以此在固有的打印層間形成新的共價(jià)鍵，從而增強(qiáng)結(jié)合性能。利用這種方法制造的零件層間結(jié)合強(qiáng)度提高了290 %。而Levenhagen［28］的研究表明，低分子量的添加劑可以在沉積后優(yōu)先游離到打印層的界面，從而增加相鄰打印層之間的結(jié)合力，進(jìn)而優(yōu)化打印質(zhì)量。Peng 等［29?30］研究了具有不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的核?殼聚合物長(zhǎng)絲，以克服界面弱的特點(diǎn)。在打印過程中，低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的外殼處于熔融態(tài)的時(shí)間更長(zhǎng)，可以更好地與鄰層相結(jié)合。結(jié)果顯示，樣品沖擊性可以達(dá)到注塑水平。綜上所述，為了提高FDM打印件的質(zhì)量和實(shí)用性，應(yīng)綜合考慮材料的物理化學(xué)性質(zhì)，在最優(yōu)的打印參數(shù)下采取合適的改性方法，以提高打印件力學(xué)性能和各向同性。然而，改善材料結(jié)合特性將會(huì)耗費(fèi)大量的精力和時(shí)間，會(huì)大幅提高制作成本。

在過去10年中，伴隨著纖維復(fù)合材料的興起，眾多學(xué)者把纖維增強(qiáng)引入到FDM 技術(shù)中［31］，通過改善打印材料的力學(xué)性能來提升打印件的力學(xué)特性［32?34］。有關(guān)學(xué)者最先研究了短纖維（如碳纖維、玻璃纖維等）增強(qiáng)復(fù)合材料打印的可行性［35?38］。在大多數(shù)情況下，短纖維的加入會(huì)提高打印件的拉伸性能，但韌性會(huì)降低［39］，而且大長(zhǎng)度與高纖維含量會(huì)使材料內(nèi)部孔隙現(xiàn)象嚴(yán)重，從而嚴(yán)重影響試件力學(xué)性能［40］，限制了其在工程部件的應(yīng)用。因此，研究人員更傾向于在纖維復(fù)合材料中使用連續(xù)纖維作為打印材料進(jìn)行FDM制造。

Klift 等［41］評(píng)估了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)試樣的力學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)試樣拉伸強(qiáng)度比未增強(qiáng)聚酰胺試樣提高了9 倍。Tian 等［42］系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)對(duì)試件成型的影響，發(fā)現(xiàn)在合適的噴嘴溫度和進(jìn)絲速度下，27 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）纖維含量的CFR?PLA 復(fù)合材料可以獲得335 MPa 的最大彎曲強(qiáng)度和30 GPa 的彎曲模量。Shi 等［43］研究了不同纖維層分布對(duì)試件力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示，纖維層的均勻分布有助于各層拉應(yīng)力在整個(gè)復(fù)合材料中趨于平衡，從而獲得較好的拉伸強(qiáng)度。在沖擊性能上，Caminero 等［44］測(cè)試了不同纖維體積含量的試樣。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨著纖維體積含量的增加而增加。并指出，相較于選用性能更高的Kevlar 纖維，玻璃纖維與基體的界面結(jié)合更好，沖擊性能更優(yōu)異。還有一些人員研究了短纖維層與長(zhǎng)纖維層依次打印時(shí)零件的機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)在拉伸強(qiáng)度方面兩者的協(xié)同增強(qiáng)優(yōu)于單一碳纖維增強(qiáng)［45］，在后續(xù)以短纖維材料onyx為基體和連續(xù)碳纖維結(jié)合制備的樣品中，力學(xué)性能可以達(dá)到超過航空航天級(jí)鋁的強(qiáng)度，顯示出其作為替代技術(shù)的潛力［46］。

盡管纖維增強(qiáng)復(fù)合材料使打印件的橫/縱向拉伸強(qiáng)度達(dá)到注塑件水平，但由于纖維與熱塑性基體界面結(jié)合性能差，致使打印件豎向強(qiáng)度薄弱。為了改善這種現(xiàn)象，目前主要有3種方案：（1） 雙噴頭纖維預(yù)浸［47］，如圖2（a）所示。雙噴頭打印時(shí)鋪設(shè)由薄熱塑性基體包裹的纖維長(zhǎng)束，來加強(qiáng)打印時(shí)纖維與基體的結(jié)合。（2）纖維加熱原位預(yù)浸［48］，如圖2（b）所示。纖維進(jìn)入噴嘴前對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱，利用纖維表面熱量改善與基體的結(jié)合。該方法打印的制件與純PLA 制件相比，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度高出435 %和316 %。（3） 纖維原位雙向預(yù)浸［49］，如圖2（c）所示。通過改進(jìn)單噴嘴打印頭進(jìn)料位置，在兩側(cè)開設(shè)新通口以填充熱塑性基體，使中部纖維長(zhǎng)束兩側(cè)都與基體充分結(jié)合。這些方法的應(yīng)用可以有效地提高打印件的豎向強(qiáng)度，進(jìn)一步優(yōu)化了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的FDM制造技術(shù)。

圖2 連續(xù)纖維與基體界面結(jié)合改善方案Fig.2 Improvement schemes for the interface bonding between continuous fibers and matrix

2 FDM 速率改善措施

2.1 設(shè)備模塊優(yōu)化

FDM 技術(shù)成型速度慢是另一個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)阻礙。設(shè)備的打印速度與各模塊（進(jìn)料模塊、熔融與沉積模塊、運(yùn)動(dòng)模塊）之間的限制有關(guān)［圖3 （a）］，任何一個(gè)模塊達(dá)到速度的限制都會(huì)造成整體打印過程的失敗。Go等［50］人通過測(cè)量傳統(tǒng)FDM設(shè)備，分析了在定位速度（V）、進(jìn)絲驅(qū)動(dòng)力（F）和液化流道長(zhǎng)度（L）約束下FDM 系統(tǒng)構(gòu)建速率與分辨率的性能提升空間［圖3 （b）］。研究顯示，在不改變打印精度下，通過突破單一模塊的限制，就會(huì)使打印速度成倍增加。因此，為明確如何實(shí)現(xiàn)高速打印，就需要清楚目前國(guó)內(nèi)外對(duì)3種模塊的優(yōu)化方案。

圖3 FDM設(shè)備模塊及性能總結(jié)Fig.3 Summary of modules and performance of FDM equipment

為了提升設(shè)備的進(jìn)料速度，研究人員主要對(duì)傳統(tǒng)進(jìn)料機(jī)構(gòu)［圖4 （a）］進(jìn)行了優(yōu)化創(chuàng)新。例如，Jones等［51］通過增加夾輪數(shù)量來提高進(jìn)絲驅(qū)動(dòng)力。Labossiere等［52］將傳統(tǒng)齒輪設(shè)計(jì)為帶有溝壑的棍子［圖4 （b）］，曲面的溝壑能有效增加與長(zhǎng)絲的接觸面積，同時(shí)避免了傳統(tǒng)夾輪機(jī)構(gòu)過快時(shí)對(duì)細(xì)絲的剪切破壞［53］。閆東升等［54］研究了V 型卡槽角度對(duì)細(xì)絲驅(qū)動(dòng)力的影響［圖4（c）］。由實(shí)驗(yàn)分析可知，卡槽角度為30°時(shí)，進(jìn)絲驅(qū)動(dòng)力最大。而汪甜田等［55］通過一對(duì)V 型輪驅(qū)動(dòng)絲材，使進(jìn)絲驅(qū)動(dòng)力提高了4倍。

圖4 進(jìn)料驅(qū)動(dòng)輪Fig.4 Feed drive wheels

在熔融與沉積模塊方面，研究人員主要關(guān)注的是提高噴嘴熔融速度和熱傳遞效率。Bezukladnikov等［56］分析了感應(yīng)加熱式噴嘴溫度不均勻的問題，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果顯示，噴嘴加熱效率提高了35 %。汪傳生等［57］為了改善噴嘴出口溫度，以減少材料堵塞，在噴嘴處增設(shè)環(huán)形加熱電阻，并進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明，噴嘴出口溫度與熔腔溫度基本保持一致。Sukin?dar 等［58］將方形加熱塊優(yōu)化成表面具有高絕熱材料的圓柱形結(jié)構(gòu)，以減少材料在噴嘴內(nèi)達(dá)到熔融態(tài)的時(shí)間。而麻省理工團(tuán)隊(duì)［59］通過在液化流道前部增設(shè)一塊激光反射區(qū)域，對(duì)材料進(jìn)行預(yù)熱后再送往液化流道，大幅提升了設(shè)備的塑化能力。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，傳統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)（笛卡爾結(jié)構(gòu)［60］、Delta 結(jié)構(gòu)［61］、龍門結(jié)構(gòu)［62］）就可以滿足大多數(shù)擠出速度的要求，但高速運(yùn)行下產(chǎn)生的慣性、加速度、振動(dòng)會(huì)對(duì)打印精度產(chǎn)生影響。因此，為提高運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要采取一些優(yōu)化措施，如結(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制系統(tǒng)優(yōu)化、傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化等。Duan 等［63］提出了一種預(yù)見濾波B 樣條振動(dòng)補(bǔ)償?shù)目刂品椒?，可有效減少打印機(jī)振動(dòng)帶來的誤差。該方法不僅能提高零件質(zhì)量，還允許在更高的打印速度下生產(chǎn)高精度零件。張文君等［64］對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，用滾珠絲杠和滾動(dòng)螺母代替原有的同步帶傳動(dòng)。結(jié)果顯示，優(yōu)化后的設(shè)備打印時(shí)更加穩(wěn)定，且打印誤差波動(dòng)明顯減少。Sollmann等［65］研究了一種新的運(yùn)動(dòng)架構(gòu)——H 型龍門架，如圖5所示，內(nèi)部的滑塊由多個(gè)固定執(zhí)行器同時(shí)移動(dòng)。研究表明，H 型架構(gòu)可以提供更高的力和更低的慣性。Go等［59］人將傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)改為伺服驅(qū)動(dòng)，使H 型架構(gòu)可以在保證穩(wěn)定性的同時(shí)具有更強(qiáng)的靈活性。

圖5 H型龍門架構(gòu)Fig.5 H?type gantry structure

麻省理工團(tuán)隊(duì)［59］針對(duì)FDM 技術(shù)中存在的模塊性能限制，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化整合，設(shè)計(jì)出了可分別實(shí)現(xiàn)高擠出力、細(xì)絲快速加熱和快速定位的“FastFFF”系統(tǒng)［圖6 （a）］，該系統(tǒng)通過螺母進(jìn)給機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)螺紋長(zhǎng)絲輸送熔融，利用類似于絲杠線性致動(dòng)模式產(chǎn)生的高傳動(dòng)比和高軸向力來顯著提高擠出精度和速度。同時(shí)，采用激光輔助加熱和伺服驅(qū)動(dòng)的H 型架構(gòu)以適應(yīng)高的擠出速度。通過相互克服模塊間的性能限制，并在保證原有打印質(zhì)量的前提下，將打印速度提高了7 倍。事實(shí)證明，通過對(duì)3 種模塊的優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)FDM 技術(shù)的高速高強(qiáng)打印，從而推動(dòng)其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

圖6 模塊優(yōu)化措施Fig.6 Module optimization measures

此外，在3 種模塊中，噴頭的塑化能力是提升打印速度的關(guān)鍵。相同進(jìn)絲驅(qū)動(dòng)力下，具有更強(qiáng)塑化能力的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)更高的打印速度［66］。因此，應(yīng)綜合考慮進(jìn)料及加熱裝置，以確保擠出熔體的流通量和質(zhì)量。Tseng 等［67］為實(shí)現(xiàn)高速高強(qiáng)熔融沉積制造并解除設(shè)備對(duì)高性能打印材料的限制。采用單螺桿擠出機(jī)代替原有進(jìn)料系統(tǒng)［圖6 （b）］，通過螺桿裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)打印溫度與擠出流量的精確控制。研究表明，相對(duì)于傳統(tǒng)的柱塞式［68］擠出，螺桿式擠出具有的強(qiáng)大塑化能力和對(duì)材料大的軸向驅(qū)動(dòng)力，使其擁有相對(duì)較高的打印速度和對(duì)高黏度、耐高溫材料聚醚醚酮（PEEK）打印件的制備能力。而Kumar等［69］通過基于螺桿擠出的材料沉積工具（MDT）與噴嘴結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高黏彈性材料乙烯醋酸乙烯（EVA）的高質(zhì)量打印。Hong 等［70］通過帶有加熱線圈的導(dǎo)管將螺桿擠出機(jī)與打印噴嘴相連，結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了不同形狀（顆粒、粉末等）和黏度材料的組合打印。為減少螺桿式噴頭的尺寸，王天明等［71］將微型螺桿與傳統(tǒng)打印噴嘴結(jié)合，并進(jìn)行打印測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，微型螺桿的設(shè)計(jì)改善了熔融材料在噴嘴處的壓力分布，從而有效減少了流涎現(xiàn)象對(duì)成型的影響，且打印速度提高了8 倍。綜上所述，螺桿式打印技術(shù)在高速打印的基礎(chǔ)上展現(xiàn)了對(duì)各類材料的通用性。因此，該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于更大的系統(tǒng)和先進(jìn)材料領(lǐng)域，如高溫?zé)崴苄圆牧虾投汤w維復(fù)合材料等，以進(jìn)一步擴(kuò)展高速高強(qiáng)熔融沉積技術(shù)。同時(shí)，為了更好地適應(yīng)市場(chǎng)需求，也需要不斷發(fā)展螺桿小型化技術(shù)。

2.2 打印策略優(yōu)化

傳統(tǒng)FDM 打印為了保證打印精度一般設(shè)置較小的噴嘴直徑［72］，但這會(huì)導(dǎo)致熔融態(tài)的材料不易擠出，致使打印速度不能有效提升。雖然目前出現(xiàn)的多噴頭打?。?3?74］和擴(kuò)大整體設(shè)備［75］可以提高打印速度，但會(huì)存在噴頭間運(yùn)動(dòng)干涉和打印精度的問題。為了在保證精度的情況下有效提升打印速度，Pekkanen 等［76］將水溶性聚合物替代傳統(tǒng)切割或撕下的支撐材料來改善打印過程中制造零件的效率。該方法可以避免破壞敏感和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，并間接縮短了打印件的制造時(shí)間。而王琛等［77］設(shè)計(jì)了可變流量的噴嘴，以實(shí)現(xiàn)零件表面的精細(xì)打印和內(nèi)部填充時(shí)的快速打印。然而，打印制件內(nèi)部存在嚴(yán)重的機(jī)械缺陷。因此，在FDM 技術(shù)中，如何在確保打印強(qiáng)度和精度的前提下有效提升打印速度對(duì)該技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

為了改善FDM 打印在零件強(qiáng)度、精度和生產(chǎn)率方面的缺陷，一些學(xué)者引入了傳統(tǒng)制造工藝（例如注射成型）的原理到FDM 制造中，采用模塑成型的方式進(jìn)行制造。相比傳統(tǒng)的FDM 制造方式（由點(diǎn)成線、由線成面、由面成體），這種制造方式是一種更為高效的“體到體”的構(gòu)建方法，可以大幅提高生產(chǎn)效率和零件質(zhì)量。Son 等［78］通過零件外殼打印和內(nèi)部注射結(jié)合的方式進(jìn)行增材制造［圖7 （a）］，即先使用FDM 設(shè)備打印熱塑性零件薄殼，再在殼內(nèi)注射和固化熱固性樹脂，使打印件成型速度提升1 倍，各向同性值達(dá)到注塑水平。然而，該策略在注射液態(tài)樹脂前需要對(duì)外殼內(nèi)表面進(jìn)行化學(xué)處理以增加殼芯結(jié)合強(qiáng)度，工藝較為復(fù)雜。相比之下，David 等［79］通過FDM 設(shè)備連續(xù)依次的外殼打印與內(nèi)腔注射進(jìn)行零件的整體構(gòu)造［圖7（b）］，打印時(shí)更靈活。該方法可使打印速度提高3.2倍，但由于零件內(nèi)腔注射時(shí)缺乏保壓過程，使內(nèi)部材料冷卻時(shí)存在嚴(yán)重的體積收縮，致使打印件強(qiáng)度提升不大。這種以打印殼為模具進(jìn)行內(nèi)部注射的增材制造手段稱為注射打印。與傳統(tǒng)FDM 制造相比，該方法打破了打印質(zhì)量與打印速度之間的矛盾關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)高速高強(qiáng)熔融沉積制造提供了關(guān)鍵性技術(shù)支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖7 注射打印原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of the injection printing principle

基于此，筆者所在團(tuán)隊(duì)提出了“預(yù)打印殼體?后注射殼芯”的全新注射打印策略［80?82］［圖7（c）］，該方法通過螺桿與噴嘴結(jié)合，使用同一種熱塑性樹脂，實(shí)現(xiàn)零件外殼的打印和內(nèi)部殼芯的注射，最后進(jìn)行保壓補(bǔ)縮，使材料強(qiáng)度達(dá)到注塑水平，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜工業(yè)部件的制造。

3 結(jié)語(yǔ)

（1） 隨著FDM 技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)研究多種加工方法的聯(lián)合應(yīng)用，以協(xié)同加強(qiáng)打印件的力學(xué)性能；在熱輔助裝置的設(shè)計(jì)上，應(yīng)優(yōu)化成圓形，以實(shí)現(xiàn)對(duì)打印層的全方位加熱，這樣設(shè)計(jì)能夠使打印更加靈活，無須考慮打印方向與加熱方向的一致性；各種熱改進(jìn)方法也可以用于打印長(zhǎng)纖維復(fù)合材料部件，以改善纖維與基體之間的孔隙，增強(qiáng)打印件的各向同性；現(xiàn)有的送料系統(tǒng)功能單一，無法滿足不同材料的輸送需求，因此需要設(shè)計(jì)一款全面、便捷的送料系統(tǒng)；同時(shí)，材料強(qiáng)化方面的研究成果應(yīng)積極運(yùn)用于高速FDM 技術(shù)中，以提高打印材料的性能和強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)高速高強(qiáng)度的打印需求；

（2） 設(shè)備模塊的優(yōu)化為高速FDM 技術(shù)提供了更多的研究方向，但在注重打印速度的同時(shí)，也必須關(guān)注打印的精度；在高速打印過程中，需要改進(jìn)現(xiàn)有噴頭結(jié)構(gòu)，以確保噴嘴的擠出力和嚴(yán)格的流量控制；此外，不同區(qū)域可采用不同的打印速率和流量以兼顧打印精度和成型時(shí)間；在需要更高精度的區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)降低打印速度；同時(shí)，打印過程中也應(yīng)該考慮材料的冷卻問題；在高速打印下，材料處于溫度極高的熔融態(tài)，如果不能及時(shí)進(jìn)行冷卻，會(huì)導(dǎo)致打印件的塌陷；因此，需要對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，確保打印件能夠在高速打印過程中保持穩(wěn)定的形態(tài)；

（3） 注射打印已經(jīng)被證明具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但作為新興技術(shù)，本身還存有一定缺陷；例如，殼體的冷卻時(shí)間、設(shè)備的塑化能力、打印和注射時(shí)不同的流量控制、保壓補(bǔ)縮時(shí)基于壓力的控制等都有待進(jìn)一步解決和完善；相信通過后續(xù)改進(jìn)的預(yù)處理算法、機(jī)器設(shè)計(jì)和多材料應(yīng)用，注射打印可以實(shí)現(xiàn)FDM 技術(shù)從小批量原型定制到大規(guī)模工業(yè)制造的轉(zhuǎn)變；

（4） 傳統(tǒng)FDM 設(shè)備的打印精度和強(qiáng)度是建立在犧牲打印速度上的，由于固有的技術(shù)壁壘，對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備的模塊優(yōu)化始終無法同時(shí)兼顧三者；因此，我們需要新的模塊設(shè)計(jì)，就像減材制造中提出增材制造一樣，F(xiàn)DM 設(shè)備不是一個(gè)模板，而是需要眾多學(xué)者不斷改進(jìn)、創(chuàng)新，提出新的打印策略和設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)更高的打印精度、強(qiáng)度和速度。