淺論熔融沉積成型工藝的研究進展

馮淑瑩 張慧梅（等同第一作者）

（國家知識產權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 打印技術具有打印機結構簡單、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 打印技術已經(jīng)越來越多地應用于各個領域，是目前應用領域廣、成熟度高、應用價值大和前景廣闊的3D 打印技術。

1 技術原理[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 技術發(fā)展情況

韓江[2]等通過分析FDM成型工藝，設計了加工試驗模型。其主要工作為：通過對工藝參數(shù)的數(shù)學建模分析，推導出有關尺寸誤差以及表面精度誤差產生的原因及具體誤差函數(shù)。在對表面精度誤差函數(shù)的分析基礎上，再確定工藝參數(shù)值。基于3D 打印機與上位機建立熔融沉積（FDM）3D 打印機試驗平臺，其設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)化結果的正確性。

遲百宏[3]等認為雖然3D 打印技術在塑料加工領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技術中構建取向對塑料制品力學性能的影響，也通過對比實驗研究了FDM技術制品與傳統(tǒng)注塑制品在力學性能上的差異。其結果表明，通過不同構建取向的試樣呈現(xiàn)各向異性，其中ABS試樣明顯大于PLA 試樣的影響。其得出結論是合理的構建取向可以提高制品的力學性能，并接近于傳統(tǒng)工藝例如注塑工藝所得水平。今后可以在構建取向上進一步研究其對力學性能的影響。

高士友[4]等則以提高不同填充率的制品的力學性能為目標，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、壓縮應力- 應變曲線和彎曲載荷- 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。其試驗結果表明，填充率是影響3D 打印試件變形失效和力學性能的關鍵因素，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準樣條，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。其結果表明，沉積角度為0°打印的產品，力學性能低于沉積角度為45°的產品，而打印層厚度也是影響因素之一，其中0.2mm 產品的力學性能稍高于層厚為0.1mm 的產品；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CN 110802837 A 提出一種FDM 打印產品支撐結構，包括打印產品懸空部位下方的支撐結構，其中支撐結構包括至少一層支撐區(qū)域，每層支撐區(qū)域均具有網(wǎng)格結構，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。該專利以支撐結構的尺寸參數(shù)確定FDM設備的打印參數(shù)，并使用逐層漸變式網(wǎng)格支撐結構，具有有效節(jié)省支撐結構的材料、減少打印支撐結構消耗的時間的優(yōu)勢，而且，還能夠保證打印產品不塌陷。

專利文獻CN 110561743 A 提出一種FDM 噴頭溫度控制結構，包括有擠料噴頭和進料組件，所述進料組件的下端固定連接有預熱腔，所述預熱腔的外側壁固定安裝有加熱塊。該FDM 噴頭溫度控制結構，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，進而對更上方的進料口的溫度影響也較低，減少了對進料口的影響；還有，由于加熱效率得到提高，加熱段便可以相應縮短，從而減少設備尺寸，使其質量更輕，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)中的顏色信息轉化成六組噴嘴的開關指令，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，應用領域不受制約。

專利文獻CN 209395254 U 則提出一種FDM3D 打印設備的送絲機構，該機構包括送絲導入塊、送絲電機、擠出輪、壓緊軸承及預緊組件，送絲導入塊設有型腔、與型腔連通的滑槽、絲料入口和絲料出口，擠出輪置于型腔內且與送絲電機傳動連接，壓緊軸承設于置于滑槽內的軸承座上且與擠出輪相對，預緊組件設于滑槽內且位于軸承座后方，擠出輪和壓緊軸承上均設有與絲料適配的環(huán)形槽，絲料經(jīng)絲料入口進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 結論

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