熔融式3D打印的研究現狀及發展應用

辛增念

（江西科技學院協同創新中心，江西 南昌330098）

3D 打印技術起源于20 世紀80 年代，2012 年美國總統奧巴馬把3D 打印技術列入國家制造業的創新中心之一，并撥款成立了國家級3D 打印工業研究中心[1]。自此，全球范圍內掀起了一場關于3D 打印的技術熱潮，2012 年英國雜志《經濟學人》稱3D 打印引來了第三次工業革命[2]。熔融沉積成型3D 打印技術屬于3D 打印技術中的一種，它成本便宜、使用方便，是目前普及最為廣泛的一種3D 打印技術，本文主要研究熔融沉積成型3D 打印機的關鍵技術研究現狀，以及它的發展和應用領域。

1 熔融式3D 打印技術的介紹

3D 打印是一種增材制造，通過在平面上不斷的累加材料成型。傳統的制造業采用的是等材制造和減材制造，通過鑄造、焊接、機床以及切削加工來完成材料的加工[3]。與傳統的等材制造和減材制造相比，3D 打印節省了材料，并簡化了復雜的加工工藝。3D 打印技術發展至今，根據打印材料和原理的不同，主要包括了6 種打印技術，分別是：光固化成型技術(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、選擇性激光燒結技術(Selective Laser Sintering,SLS)、分層實體制造技術(Laminated Object Manufacturing,LOM)、疊層實體制造技術(Laminated object manufacturing,LOM)、三維噴涂粘結技術(There dimensional printing and gluing,3DPG)和熔融式沉積成型技術(Fused Deposition Modeling,FDM)。

熔融式3D 打印是通過加熱融化材料來實現3D 打印的，常用的打印材料主要為便于熔融的低熔點材料，有蠟絲、丙烯晴-丁二烯(ABS)、聚乳酸（PLA）、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯樹脂、聚酰胺絲等熱塑性材料[4-5]，不同的材料熔點不同，加熱溫度也不同。打印時根據不同材料來調整加熱溫度。

2 熔融式3D 打印機關鍵技術的研究

熔融式3D 打印機在打印前，把熔融型的打印材料做成細絲狀，并把需要打印的物品用三維軟件或掃描儀生成三維圖形存儲在打印機內存中。打印時3D 打印機把儲存的立體圖形分切成多個平面，打印機接收到平面數據后，通過電機把細絲狀的打印材料送到加熱噴腔內，根據不同的打印材料設置不同的噴腔溫度，把材料融化后鋪在打印機底板上，打印完一層后，底板下移一層，噴嘴繼續把融化的材料往上鋪完成另一層的打印，這樣層層疊加，直至打印完成。打印完成后去除支撐材料，即可得到所需的產品。圖1 為熔融沉積成型（FDM）打印機原理圖。

圖1 FDM 打印機原理圖

2.1 熔融式3D 打印噴頭的研究

熔融式3D 打印機的打印噴頭是用來融化打印材料并把材料平鋪在打印底板上，是打印機的關鍵部分，它直接影響打印精度。同時，打印噴頭也是經常出故障的零件，FDM打印機故障大多數情況下都是因為噴頭故障引起。目前FDM打印機存在的打印噴頭有柱塞式噴頭[6]和螺桿式噴頭[7]，柱塞式噴頭靠電機帶動兩邊的齒輪嚙合進行送料，螺桿式噴頭通過電機帶動噴頭旋轉進行送料。柱塞式噴頭在打印時由于受熱不均溫，當齒輪嚙合送料稍有滯后，打印材料就容易堵塞在噴頭底部造成打印機故障。

為了解決柱塞式噴頭的噴頭堵塞問題。彭勇剛[8]等人提出了一種多段溫度控制的噴頭，他們對噴頭各個不同部分分別實行溫度控制，使得噴頭內部過渡段、熔融段和擠出段溫度依次升高，從而有效的避免了傳統噴頭由于溫度一致而導致的噴頭堵塞、斷絲等現象，提高了打印效率，減低了打印機的維修。

為了改善打印模型表面光潔度，肖建華等[9]提供了一種氣體輔助擠出噴頭的3D 打印機。通過在噴頭旁邊開通一個進氣口，使得擠出的細絲直徑保持不變，提高了材料的擠出速率，且擠出的細絲表面光滑潔凈。

為了能在同一模型上打印多種色彩，陳松茂等[10]提供了一種基于混色與染色原理的FDM型3D 打印噴頭及方法，通過外界混色器提供染料，經由染色環對原材料進行染色，實現模型全彩3D 打印。程凱[11]研制的多材料多尺度的3D 打印噴頭可以混合多種材料，能打印材料性質變化的模型，如漸變色模型打印和變剛度模型打印。

2.2 熔融式3D 打印溫度控制系統的研究

熔融式3D 打印機的溫度控制系統主要是加熱噴頭的溫度控制系統和底板的溫度控制系統。打印不同熔點的材料設置不同的溫度，打印時，噴頭和底板的溫度需要保持在一定范圍，才能確保把打印材料融化，并保證材料能冷卻凝固并粘在底板上。因此打印時溫度控制系統，尤其是噴頭的溫度控制系統非常重要，噴頭用來融化打印材料，溫度的高低以及溫度恢復時間等參數都對打印有影響，溫度太高工作時間一長容易損壞噴頭，同時材料冷卻時間也變長，影響打印精度。溫度低了則不能融化材料，引起噴頭堵塞。目前比較流行的RepRap 開源系統采用PID 算法控制溫度，但是PID 控制方法有其自身缺點：魯棒性差、動態響應速度慢，控制性能難以得到可靠保證。王柏通[12]和李軒[13]用模糊PID 算法分別對用ABS 和PLA 材料的熔融型打印機噴頭實行溫度控制，并對PID 控制和模糊PID 控制的打印結果進行了對比，結果顯示模糊PID 算法控制的溫度系統能很好的改進PID 算法的缺點。

2.3 熔融式3D 打印參數的研究

熔融式3D 打印機的參數控制包括網格密度控制，打印材料流量控制，冷卻性能，打印速度控制等，使用不同的打印參數，打印的模型差別很大，在打印前需要根據不同的打印模型來調整打印參數[14]。Baich L[15]對打印ABS 材料時的填充參數選取和消耗時間進行了研究，研究表明對于不同需求的產品，填充材料打印的參數設計不同，因此打印耗時也不同。Li yanxiang[16]分析了在3D 打印模型時后，冷卻溫度對模型的影響，分析了為何3D 打印模型越大越容易出現裂縫，指出讓環境溫度階梯冷卻能明顯減小熱應力，保證打印的3D 模型更加牢固，不容易出現裂紋。在打印精度的研究上，金安育等[17]提供了一種使3D打印噴頭按照曲線填充路徑成形曲面薄片，從而提高3D 打印制件的曲面精度的曲面填充路徑軌跡生成法。

打印時各個打印參數對打印模型的精度影響也是不一樣的，韓江[18]通過改變層高，打印溫度、打印溫度等多次正交實驗研究得出對模型影響因子作用大小排序為：層高＞打印速度＞打印溫度。

2.4 熔融式3D 打印后期處理的研究

熔融式3D 打印機打印好的模型包含支撐材料，且表面比較粗糙，因此在模型打印好后需要進行去除支撐以及表面光滑等后期處理。對要求不高的打印模型，可以借助老虎鉗等工具手工去除支撐材料，但是手工去除支撐材料耗時，耗力，效果還不好，且容易損壞打印模型。現在市場上多用超聲波發生器對支撐進行去除。把模型放進無毒、鼓泡的溶液中，超聲波產生包含真空壓力的氣泡，振動產生稱為氣蝕的擦洗動作，可以溶解樹脂支撐而不損壞部件本身。超聲波發生器處理的3D 打印模型表面雜質少，支撐材料能夠完全去除，能符合大多數用戶的需求，但對表面光滑度有比較嚴格要求的用戶而言，超聲波發生器處理的模型表面光滑不夠，無法滿足其需求。Haidiezul A等[19]對模型表面涂上smooth-on 公司生產的XTC-3D 后，每層間間隙變小，表面光滑度及性能都得到了極大的改善。

2.5 熔融式3D 打印整機的研究

對熔融式3D 打印機整機的研究主要表現在擴大打印區域和廢料回收打印等方面。孫慧超等[20]研究了一種工業雙橫梁分區域型3D 打印機，擁有2 根橫梁可以同時打印2 個區域，與傳統打印相比擴大了打印范圍，且能夠同時打印2 個模型，縮短了打印時間，提高了打印效率；曹文意等[21]提供了一種廢料再利用的熔融沉積成型3D 打印機，打印時把廢料送進處理盒，加熱融化后進入送絲管，用以打印3D 模型，對廢料的再利用減小了材料的浪費。

3 熔融式3D 打印機的應用

熔融式3D 打印技術具有發展成熟，成型速度快，生產周期短，成本便宜、使用方便等優點，因此廣泛地應用于社會的各個領域[22]。

3.1 制造業領域

熔融式3D 打印技術在制造業中使用非常的廣泛。2011 年英國南安普敦大學Andy Keane 和Jim Scanlan 帶領團隊花了一周時間設計制作了首臺3D 打印的飛機，并試飛成功；同年，Kor Ecologic 推出全球第一輛3D 打印的汽車Urbee，汽車所有的外部零部件都是由3D 打印而成；2013 年，美國分布式防御組織負責人科迪- 威爾森發布全世界第一款完全通過3D 打印制造出的塑料手槍；2018 年AREVO 公司采用3D 打印碳釬維框架的自行車，Arevo 將3D 打印與機器人技術、機器學習和熱塑性材料相結合，使用安裝在機械臂上的打印頭打印出自行車車架的三維形狀。

3.2 食品加工領域

在2011 年美國康奈爾大學就開始著手研究用3D 打印機打印食物，緊接著NASA 開始研究讓宇航員在太空中利用3D 打印機打印食品。同年7 月，英國埃克塞特大學研究人員開發出世界上第一臺3D 巧克力打印機。現在的熔融沉積成型3D 食品打印機可以通過控制打印材料和營養成分，給用戶打印定制的形狀、顏色、香味、紋理和營養的食物[23]。

3.3 教育領域

熔融式3D 打印在教育領域的應用分為兩類，一類為在中小學學科教學中的應用，國內一些大城市已經開始引入3D 打印教學，深圳市南山區中學老師童宇陽[24]分別指出了3D 打印在中學語文學科、數學學科、英語學科、物理學科、化學學科、地理學科上的應用案例。利用3D 打印技術開展中學教學本質上是多媒體技術的延伸，能拓展學生的思維，增強對知識點的理解。另一類應用是3D 打印教育創新應用，包括創客空間、創新實驗室、STEAM課程。這類教育主要針對大學生以及社會上的成年人，主要目的是使3D 打印技術在社會上推廣化，普及化，成為融入學校、家庭和社會的具有革命性影響的技術[25]。

3.4 醫學領域

熔融沉積成型3D 打印技術在醫學領域應用很廣，Munteanu,Adriana 等[26]研究3D 打印在整形外科手術中的應用，并指出與傳統的整形外科相比的優越性，用3D 打印的假肢價格便宜，還可以打印不同顏色來吸引兒童患者。chen Hu 等[27]用熔融型3D打印機給病人定制打印牙齒底座，用此方法設計打印的牙齒底座比手工制作的牙齒底座有更高的精確度。

4 結論

熔融式3D 打印技術作為3D 打印技術中最基礎，也是普及最廣的一種3D 打印技術，它的技術研究逐步趨于成熟，也廣泛應用于生活的各個方面，隨著新材料的不斷研發，新工藝的不斷改進，它必將更加廣泛地應用于社會生活的各個方面，成為改變人類生活方式的一種技術。