熔融沉積3D打印設備研究進展

楊欽杰，李佳汶，李 明，陳 剛，李光照，彭必友，韓 銳，2?

（1.西華大學材料科學與工程學院，成都 610039；2.電子科技大學光電科學與工程學院，成都 610054；3.中材科技（成都）有限公司，成都 611434）

0 前言

伴隨現代加工技術的不斷發展，一種不同于傳統減材制造，基于“逆向思維”的3D打印制造技術近年來發展迅速。3D打印亦稱增材制造（AM）［1］，涉及材料、機械、計算機等多學科，已成為當今世界一種不可或缺的先進生產技術。根據《中國增材制造產業發展報告（2018）年》，1998年—2017年全球增材制造產業由4.7億美元提升至73.4億美元，年復合增長率25.5%，世界發達國家已將3D打印列為重點發展的戰略新興產業。目前，美、德、中、日4國的增材制造產業位居世界前列，設備占有率之和為66.7%［2］。我國十分重視3D打印技術的研究與推廣，在《中國制造2025》中將其作為關鍵技術之一進行突破。據中國增材制造產業聯盟統計，2015年—2017年，我國增材制造產業規模年均增速已超30%［3］。2018年國家研究發展中心亦將增材制造列入所公布的8個重點研發項目中。

3D打印主要涵蓋3個方面，即方法、材料和設備。近幾十年的發展，根據打印原理與材料的異同，3D打印已衍生發展至數十種類型，主要有FDM、選擇性激光燒結、立體光固化成型、噴墨打印、分層實體制造等，如表1所示［4］。其中，FDM是由Scott Crump于1989年發明的一種3D打印技術，發展至今已成為3D打印技術中最典型、最常用的一種，被廣泛應用于航空航天［5］、汽車零部件［6］、醫學［7］等諸多領域。

FDM技術基本原理如圖1所示，其利用機械壓輥，將熱塑性高分子絲條擠入液化器加熱至熔融態，液化器上端未熔融的絲條充當活塞，在計算機的控制下將熔融態材料按規劃路徑推擠、沉積至打印平臺，與此同時，擠出的細絲迅速冷卻凝固且相互黏結，形成制件的2D截面輪廓，沉積完一層后打印平臺向下（或噴頭向上）移動一個層厚的距離，不斷重復疊加，直至完成整個制件的成型。需要指出的是，當前眾多研究表明，傳統FDM打印因其獨特的絲條進料方式和“熱熔直寫”堆積過程，面臨5個難以回避的問題。

圖1 FDM技術原理Fig.1 Schematic diagram of FDM

（1）原材料種類少。目前適用于FDM技術的聚合物材料主要有如丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物（ABS）［8］、聚乳酸（PLA）［9］、聚碳酸酯（PC）［10］及其復合材料等。用于FDM打印的聚合物需經歷3次熱塑加工，因此原材料需具備優異的熱塑性加工性能；另外，常見的FDM 3D打印設備的打印溫度都在300℃以下，這就要求原材料具備較低的成型溫度；在聚合物被噴嘴層層沉積形成制件時，層間黏合強度影響制件的力學性能，因此原材料還需具備一定的熔體強度，且層與層之間的黏結性要好，避免熔體黏度過低出現流延以及熱應力導致層與層之間開裂的現象。

（2）打印絲條容易發生彎曲變形。典型的FDM 3D打印設備的進料形式是聚合物熔融后依靠未熔融部分絲條的擠壓作用由噴嘴擠出，因此由原材料制備的絲條要有合適的壓縮模量與黏度，以保證送絲滾輪持續送料的穩定性。已經有研究者建立了絲條可打印性的判定公式，見式（1）［11］：

式中E——絲條的壓縮模量，MPa

η——熔體的表觀黏度，Pa?s

Q——熔體的體積流量，m3/s

R——噴嘴半徑，mm

L——液化器流道長度，mm

l——驅動齒輪與絲條接觸點到液化器上端的距離，mm

r——絲材半徑，mm

從式（1）可以看出，絲條壓縮模量與表觀黏度的比值需大于一定的臨界參數［12］才能保證其被順利打印。因此，用于FDM打印的材料必須具有良好的成絲性、流動性和合適的收縮性等［13］。

（3）結晶型聚合物難以打印。由于FDM打印的層層疊加成型方式要求原材料具有較小的冷卻收縮率，以減小制件的翹曲變形，當結晶度較高的材料在打印過程迅速冷卻相互纏結時，會由于其結晶能力較強而冷卻收縮，使制件翹曲變形，影響制件的打印。因此用于常見高分子加工領域的結晶型聚合物如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等，在FDM加工領域應用很少。

（4）制件打印質量與結構強度較低。傳統FDM的打印質量問題受其原理影響而難以避免，只能盡量減少。從打印設備的角度分析，可將其歸結為噴頭和打印平臺兩個方面。一是絲條塑化后最終由噴頭［14-15］擠出，當噴頭發生進料困難、堵料［16］這些問題時，都會嚴重影響制件最后的打印質量；二是沉積階段，當細絲自下而上層層堆疊沉積在打印平臺時，會導致制件表面出現“臺階效應”［17］，形成表面缺陷，同時，因為細絲快速經歷多次“固-液-固”相轉變［18］，導致制件內部應力不均，出現翹曲變形，最終給制件的結構強度帶來負面影響。

（5）絲條制備成本高。用于FDM加工的原材料需經歷螺桿擠出機熔融擠出，冷卻定型，牽引裝置拉伸，收集成卷等步驟，需要較高的制備成本。

為了在一定程度上克服上述問題，近年來學者對FDM打印材料和設備進行了大量研究，本文從中選擇后者，從控制方法（溫度控制方法、路徑控制算法、運動控制方法等）和打印機構（送料機構和運動機構等）兩個方面對近年來國內外FDM 3D打印設備的相關發展和研究現狀進行綜述，最后提出了FDM 3D打印設備所面臨的挑戰和需要解決的關鍵問題，并簡單展望了其未來發展趨勢。

1 控制方法研究進展

1.1 溫度控制

溫度控制主要是指對FDM 3D打印設備噴頭溫度的精確控制。眾所周知，溫度對聚合物的黏度影響巨大，在送料階段，絲材被壓輥擠入噴頭內熔融塑化，若噴頭溫度較低，易使材料無法加熱至熔融狀態，導致噴嘴堵塞；若溫度偏高，材料黏度大幅下降，流動性大幅增加，噴頭不能均勻控制擠出流量；若溫度過高，材料可能會在噴頭內降解、失效。因此，對噴頭溫度的穩定控制是保證FDM 3D打印質量的重要前提。目前對FDM打印過程的溫度控制主要以比例積分微分（PID）控制方法為主，該方法原理、結構簡單，工作穩定。PID控制方法的數學模型是基于理論而建立的，而FDM噴頭在加熱過程中，其實際溫度具有很明顯的滯后性、非線性和時變性，很難通過數學模型實現精確控制［19］。隨著技術不斷發展，“模糊控制”為研究者提供了該問題的解決途徑。模糊自適應PID控制方法［20-21］被研究者應用到FDM 3D打印設備的溫度控制模塊，能夠對噴頭的溫度進行精準控制。Altan等［22］使用自適應PID控制算法代替經典PID算法控制噴頭的溫度，使得打印制件的表面變形率由28%降低至1.5%。高熔點的聚醚醚酮（PEEK）應用于FDM打印時對打印溫度要求較高，相較于在3D打印設備上運用的其他PID算法，Liu等［23］采用模糊PID控制算法提高了溫度的控制精度，解決了溫度控制滯后的問題。為消除FDM打印過程中加熱設備存在的時間滯后性和穩定性差的問題，曲興田等［24］在常規熱床溫度、PID控制噴嘴溫度基礎上建立了模糊自適應PID控制方法（圖2），同時基于Matlab/Simulink軟件建立模糊自適應PID控制系統仿真模型，與普通PID控制方法相比，模糊自適應PID控制方法達到了超調量小、響應速度快、穩定性強的效果，提高了溫度控制的穩定性和實時性。甘新基等［25］以PID算法［見式（2）、式（3）］為基礎，采用Ziegler?Nichols法實現了S型階躍響應曲線適用延滯一階慣性環節，并運用Cohn?Coon公式得到了受控對象的特征參數，從而保證其控制精度。文章針對所需控制的對象，找到了各個控制變量的最佳比例系數，實現了較低超調量的控制效果，縮小了溫度的波動范圍，提高了系統的打印質量。

圖2 模糊自適應PID控制系統Fig.2 Fuzzy adaptive PID control system

式中 u（t）——控制器的輸出

e（t）——控制器的輸入

c（t）——系統實際輸出值

r（t）——系統給定值

TI——積分時間

TD——微分時間

KP——比例系數

1.2 路徑規劃控制

在FDM打印步驟中，切片［26］用于完成對噴頭運動路徑的規劃，不同的掃描路徑對制件的成型質量以及性能有不同的影響。因此，對路徑的優化控制對提高FDM打印精度極為重要。目前主要運用的路徑規劃算法為平行直線路徑規劃算法［27］和偏置路徑規劃算法［28］。

平行直線路徑規劃算法中噴頭按照平行直線的路徑對制件輪廓截面進行往復填充。該算法原理簡單，填充效率高，但由于填充路徑方向單一，打印結晶型材料時更易發生翹曲變形，同時，在填充的空行程階段易發生“拉絲”問題，嚴重影響制件的成型質量。為提高打印精度，常采用偏置路徑規劃算法替代平行直線算法，該算法根據切片得到的內外輪廓按照一定的間距分別向外內偏移生成偏置輪廓環，并不斷迭代，最終形成偏置填充路徑。該算法的典型問題是在生成偏置路徑時，易出現自相交問題［29］。Xu等［30］提出通過改變偏置前后輪廓環的旋向的方法解決復雜自相交的問題。Jin［31］與熊文俊等［32］提出向形心收縮的偏置路徑算法，該方法是非等間距的偏置方法。Bo等［33］提出基于Vo?ronoi圖［34］的偏置路徑算法，根據截面輪廓環的Voronoi圖進行間距偏置，解決了輪廓環自相交的問題。黃常標等［35］采用向量表示法進行輪廓線偏置，使得算法簡單，便于實現，且提出基于交點處的輪廓方向向量的判斷方法，有效去除了相交輪廓線。

常見的FDM 3D打印設備的原材料大多是熱塑性材料，制件翹曲變形是普遍存在的現象。因此，黃小毛等［36］提出并行柵格路徑規劃算法，通過減小XY平面的溫度梯度以及控制材料冷卻時的殘余內應力，減小制件翹曲變形程度。Yang等［37］提出了分型填充路徑，將平行直線路徑劃分為由大量的短線段（Hibert曲線）組成的分型路徑，雖減小了翹曲變形程度，但增加了掃描時間，使得打印效率受到了一定的影響。張永等［38］基于分型路徑填充，對其填充順序提出相對距離化算法，該算法減小了制件翹曲變形程度。Jin等［39］將輪廓偏置填充與分層變向往復填充相結合，提高了制件的幾何精度。Lin等［40］提出了一種二維點序列曲線的偏置路徑算法，將制件輪廓截面分成若干區域，按照復雜程度對不同區域進行不同的路徑規劃，該算法雖減小了翹曲程度，但對于截面非常復雜的制件，在將其分區時，實現算法的程序較為復雜。朱傳敏等［41］提出將平行直線掃描與輪廓偏置相結合，這種復合式掃描算法在提高制件精度、減少翹曲的同時也保證了打印效率。張瀟［42］對自適應路徑規劃算法進行研究，在初始路徑生成后對其進行第二次規劃調整，使路徑分布更加均勻，再配合優化其他3D打印參數，提高了制件的打印質量。曾善文等［43］對FDM常用的直線掃描、偏置掃描、復合掃描等路徑算法進行分析，并運用ANSYS數值模擬對幾種掃描路徑進行熱分析和結構分析，結果表明復合掃描在打印精度和成型效率方面都可取得較好的效果。王德鵬［44］提出基于動態規劃的輪廓打印順序規劃算法與輪廓打印順序近似規劃算法，有效降低了輪廓轉移時產生的空行程的總長度，減少了打印時間，從而提高了打印效率。

1.3 運動控制

目前，大部分FDM 3D打印設備采用步進電機帶動XYZ 3軸上的傳動帶與皮帶輪等傳動機構驅使噴頭進行線性運動，其運動控制主要包含使用直線插補算法［45］、速度規劃［46］和加減速控制［47］。制件的成型質量高低與噴頭的運動精度密切相關，歐美等發達國家對FDM設備的運動控制研究起步較早，研究單位主要是企業，其核心研究成果大部分對外保密。國內雖起步較晚，但研究水平不斷提高，與國外差距不斷縮小。目前FDM打印最常用的直線插補算法為DDA［48］和Bresenham算法［49］。Yu［50］等結合FDM 3D打印設備線性運動的原理，通過改進傳統的Bresenham算法，著重簡化決策公式與降低決策過程的頻率，使得決策過程節省17%～20%的時間，從而提高打印效率與噴頭運動的精確性。在速度規劃方面，陳廣俊等［51］根據步進電機驅動特點，提出了一種適應多軸聯動數控系統的速度規劃算法，在保證銜接速度不超過機械結構能力的同時，盡可能提高各段運動速度，使打印質量達到最佳水平。張文懷等［52］提出能夠預測噴頭行進速度的神經網絡模型，通過對噴頭行進速度的調整，減少了偏置輪廓填充方式所產生的路徑空隙，從而提高了制件的打印質量。在加減速控制方面，Yin［53］等針對噴頭運動在中間兩次相同方向的加速、減速、停止控制等問題，在T形加減速算法的基礎上提出了新的速度控制方法，該方法可實現兩次T形加減速運動，使得步進電機在直線上不停頓，實現對噴頭運動速度的精確控制。噴頭在運動過程中，可能會與打印平臺出現跟隨誤差，即坐標軸的實際運動位置和理論要求位置會存在一定的滯后，而對制件的性能及強度等造成一定的影響。王志剛等［54］分析了FDM設備運動系統S曲線及加速度設定值對跟隨誤差的影響，確定左右其大小的3個方面，即輸入信號的形式與強弱、設備的機械剛度和機床的位置增益、加速度等，進一步通過在線模擬仿真噴頭運動系統，計算并設置系統的加速度和加速轉矩，同時優化速度環以及位置環，提高了整個打印系統運行的穩定性。

2 打印機構研究進展

2.1 送料機構

FDM 3D打印設備的送料機構最常采用“柱塞”方式，依靠壓輥齒輪為驅動力將其推入液化器內加熱，使其熔融塑化，液化器上端未熔融部分充當活塞作用，將熔融態材料經由噴嘴擠出沉積在打印平臺上。但這種機制導致FDM打印所用絲條須具備一定的熔體強度和黏度，避免當絲材熔體強度不夠時，絲條出現彎曲、折斷問題［55］。因此，研究者除了在齒輪驅動式進料的基礎上進行創新，也研究出了螺桿擠出［56］和氣壓式進料新方法。特別是螺桿擠出方法，因為采用了與傳統高分子擠出一樣的螺桿強制輸送和熔體均化過程，突破了FDM打印對材料種類、形態等的限制，降低了3D打印的成本，擴大了其應用范圍，該方法目前發展較迅速。

2.1.1 齒輪驅動式送料機構

目前，商用FDM 3D打印設備均采用齒輪驅動式的送料結構，其主要原理如圖3（a）所示，熱塑絲條在一組齒輪咬合驅動下進入高溫液化器，克服流動阻力，由噴嘴擠出，之后在打印平臺上層層堆積完成建造。在齒輪驅動式送料機構中，未熔化的絲條作為“柱塞”，在驅動齒輪提供的摩擦力作用下，推動熔融的絲材從噴嘴擠出。圖3（a）中的齒輪直徑相同，且齒輪與絲條之間的間隙不可調，對絲條的適應性較差，易發生“屈曲”和堵料等打印失效現象。為此，有研究者研發了如圖3（b）所示的“Mendel”齒輪驅動送料機構，其驅動齒輪與從動齒輪直徑不同，且齒輪與絲條之間的距離可調，大幅度提升了打印設備對材料的適應能力，尤其是對于一些柔性絲條。此外，為提升FDM 3D打印設備的打印速度，有研究者還采用了如圖3（c）所示的送料機構，通過采用多對齒輪來提升齒輪與絲條間的擠壓力，有效提高了打印速度。但由于堆疊了大量的從動齒輪，導致整個設備較為笨重［57-58］。

FDM 3D打印設備在送料階段易發生絲條彎曲失效的現象，如圖3（d）所示。尤其對于熱塑性彈性體（TPE）如熱塑性聚氨酯、三元乙丙橡膠等更為明顯，這主要是由于TPE材料具有較高的熔體黏度及較低的壓縮模量［59］。較高的熔體黏度提高了材料在熔融后通過液化器的流動阻力，而較低的壓縮模量又會降低齒輪對材料的沖擊力。根據前述的FDM加工可打印性判定公式可知，若能減少l，如圖3（g）所示，則可進一步降低E/η的臨界值，從而提高設備對柔性絲條的適應性。基于此有兩種策略可供選擇，其一是在驅動齒輪與液化器之間加入聚四氟乙烯導管，如圖3（e）所示，其直徑約為2mm，略大于絲條的標準直徑1.75 mm，這樣從幾何空間上限制了絲條的彎曲，取得了較好的效果。此外，如圖3（f）所示，進一步將導管向上延伸，且在靠近驅動齒輪的一側切出一個半圓使驅動齒輪嵌入其中，在送料到熔融擠出過程中，絲條全部被封裝在導管或液化器中，幾乎沒有自由段暴露，因此對柔性絲條有較好的打印效果；另外一種策略是直接減少l值，如圖3（h）所示，也可減少絲條送料過程中的彎曲現象［60-61］。

圖3 改進后的齒輪驅動送料機構Fig.3 Improved gear?driven feeding mechanism

此外，FDM打印制件的力學性能往往欠佳，為此，有研究者從設備改進的角度出發，采用連續纖維擠出的方式大幅度提高打印制件的力學性能，使其可應用在航空、航天等高端領域［62］。目前該法主要有3種方案：（1）直接成型預浸絲條，如圖4（a）所示。采用特殊工藝制備聚合物包覆纖維的預浸絲條，之后利用常規FDM 3D打印設備進行加工，該方案對絲條質量要求較高。（2）采用雙噴頭的FDM 3D打印設備，如圖4（b）所示。其中一個噴嘴用于成型纖維，另一個噴嘴用于成型聚酰胺等絲條。在打印過程中，通過切片路徑規劃，可選擇性地將纖維嵌入到打印制件中。受限于兩個噴嘴之間的協調性以及切片控制等，該方案在實際中操作難度較大。此外，由于打印聚合物的噴嘴停止后，沉積層溫度下降而將纖維嵌入其中，導致材料界面結合力較弱，因此最終制備的打印制件力學性能提高有限；（3）原位浸漬連續纖維擠出，如圖4（c）所示。日本東京大學的Matsuzaki等［63］采用在噴嘴側面增加連續纖維送料機構方式，使纖維與熱塑絲條單獨送料，但會在噴嘴管道內匯合，實現了聚合物原位包覆纖維。西安交通大學的田小永團隊［64］也采用上述類似的裝置，制備了碳纖維/PLA打印制件。當纖維含量達到27%（質量分數）時，其彎曲強度和彎曲模量可達335 MPa和30 GPa。

圖4 連續纖維擠出方案Fig.4 Continuous fibre extrusion solution

2.1.2 螺桿式送料機構

“柱塞”式的FDM 3D打印設備簡單、投入低，但對絲條的直徑均勻性、壓縮模量及黏度有較高的要求。為進一步拓展FDM的材料使用范圍，借鑒聚合物擠出加工的發展歷史，有研究者開發了基于“螺桿式”的FDM打印設備。如德國的Arburg公司［65］研發出了基于螺桿式的3D打印機［圖5（a）］，與壓電式的時控打印噴嘴擠出技術相結合，采用了和注射成型工藝一致的塑料顆粒，大幅度省略了原料加工步驟，可實現塑料零部件的精準無模制造。上海富力奇公司將單螺桿擠出技術應用于FDM成型［66］，解決了絲材易發生屈曲失效的問題，但該設備仍采用絲條料，未突破FDM對打印材料形態的限制。華中科技大學［67］研發出了螺桿式擠出雙噴頭，采用漏斗式進料，可直接打印顆粒料或粉末。Shor等［68］運用計算機輔助組織工程方法開發了一種精密擠壓沉積（PED）系統［圖5（b）］，該系統由安裝在高精度定位系統上的微型擠壓機組成，運用該系統成功打印了具有可控孔徑的聚己內酯/聚己內酯-羥基磷灰石組織支架。Tseng等［69］開發了一種新式螺桿擠出FDM 3D打印系統［圖5（c）］，該系統進料部分分為3個熱模塊：進料區、熔融壓縮區、計量區，3個熱模塊協同工作對打印工作溫度與擠出流量精確控制，用于高質量打印高黏度、高熔融溫度的PEEK。Zhou等［70］構建了顆粒直接進給FDM打印系統［圖5（d）］，在液化器不同高度上設計了多個進料口，該系統可直接混合多種打印材料，通過單螺桿機熔融材料并將其輸送至噴嘴擠出。作者將聚乙烯醇、熒光增白劑、香料按照一定比例通過該打印系統獲得矩形制件，制件的不同區域均表現出很強的熒光效應。Drotman等［71］也將螺桿擠壓與FDM打印相結合［圖5（e）］，其中單螺桿將材料熔融并將其輸送至螺桿底部與噴嘴間的緩沖區域，再由噴嘴擠出。徐常有等［72］基于北京化工大學楊衛民［73］高分子材料先進制造技術“微積分”的思想，改變FDM 3D打印設備的傳統送料機構研發了新型FDM粒料3D打印設備，可進行柔性打印，且該設備在擠出裝置中采用熔體泵對擠出流量進行精確控制。

圖5 螺桿式送料機構Fig.5 Screw feeding mechanism

不難看出，螺桿擠出技術已從傳統高分子加工領域被廣泛地遷移應用于FDM成型，解決其絲材局限性問題，但前述研究均采用平直螺桿，對一些蓬松的粒料或粉末塑化效果不理想，易導致材料堆積在螺桿中。因此，冷杰等［74］進一步設計了一種大錐度螺桿［圖5（f）］，該設計在大幅縮短螺桿長度的同時，也避免了材料的堆積問題，進一步拓寬了FDM打印材料的應用范圍。此外，相比上述使用的單一螺桿機構，王權杰［75］等設計了一種復合式螺桿，為保證送料能力，輸送部分采用較大直徑的螺桿，而靠近噴嘴的擠出部分則另外采用直徑較小的螺桿，緩解了單一螺桿FDM打印設備噴頭壓力大的問題。

2.1.3 氣壓式送料機構

除了螺桿式送料機構，早在2001年，西安交通大學便提出了氣壓式熔融沉積（AJS）系統［76］，該系統中液化器上端的機械壓輥由壓力裝置代替，液化器將材料加熱至熔融態，經壓力傳感器測壓后將信號反饋至上端的壓力裝置通過壓縮空氣將細絲從噴嘴擠出。由于AJS系統取代了齒輪驅動送料機構，避免了傳統擠壓輥長周期往復運動帶來的振動和由之產生的運動慣性，從而提高了FDM打印精度。Chen等［77］基于這一改進，通過調控工藝參數，利用AJS系統制備出了用于骨組織工程的3D支架。另外，廖道坤［78］等也搭建了氣動式金屬熔融沉積設備，該設備送料方式與AJS系統相似，都將氣壓作為輸送動力，發現這一改變可大幅提升金屬制件的致密度與層間結合強度。

2.2 噴嘴

在FDM加工過程中，絲條進入液化器流道后，與高溫的液化器迅速發生熱交換，開始熔融，并受到液化器流道壁面的剪切作用。當熔體進入到噴嘴時，流道逐漸變窄，聚合物熔體發生收斂，之后進入到狹長的流道，受到較大的剪切作用。

探明聚合物熔體在噴嘴內的流動狀態有助于從根源上了解FDM打印過程。Coogan等［79］對某一商用FDM 3D打印設備的噴嘴進行改進設計，首次實現了對噴嘴內熔體黏度的在線精準監測。該噴嘴側面帶有壓力孔［圖6（a）］，負荷傳遞棒［圖6（b）］的一端通過該孔插入噴嘴，另一端則連接載荷轉移夾具，且為了測量熔體溫度，傳遞棒與噴嘴壓力端口各設置了一個熱電偶［（圖6（c）］，最后由夾具［圖6（d）］將熔體載荷傳遞到稱重傳感器。對測定值修正后，該噴嘴可在打印時精準測量熔體的黏度，從而實時監測FDM打印時的熔體擠出過程。與此不同，Li等［80］則以FDM彩色3D打印設備作為研究對象，提出通過振動加速度幅值測量提高打印質量。其具體方法是將加速度傳感器固定在混色噴嘴上，分析噴嘴的垂直振動特征，通過建立不同進給參數與振動加速度幅值間的關系，確定最佳進給參數，避免噴嘴堵塞。Heller等［81］利用有限元分析方法研究了噴嘴結構幾何參數對聚合物復合材料中纖維排列狀態和力學性能的影響，參數包括收斂區長度、直管長度、徑向噴嘴膨脹量、噴嘴膨脹長度。結果表明，收斂區長度與噴嘴膨脹長度對纖維排列順序無影響，增大徑向噴嘴膨脹量以及直管長度都將降低纖維排列的有序度。該項工作表明可通過合理調整噴嘴結構的幾何參數，提高聚合物熔體中的纖維排列有序度，進而提高制件的力學性能。另一方面，合理選擇噴嘴制造材料可降低噴嘴在擠出過程中的變形量，從而提高制件的打印質量。劉曉軍等［82］通過對噴嘴制造材料進行改進，將鋁青銅換為鈹青銅，使噴嘴擠出流量變得穩定，改善了噴嘴堵塞的問題。吳彥之等［83］通過有限元分析軟件對不同材料組合的加熱塊和噴嘴進行流?熱?固耦合分析，結果表明當兩種材料都為黃銅時噴嘴出絲口的變形率最低，為33.5%。

除上述外，對噴嘴進行創新設計還能為FDM打印制件的使用性能和功能性上帶來諸多有益結果。Du等［84］在噴嘴兩側增加兩束激光束對其進行橫向輔助加熱［圖6（d）、圖6（f）］，打印得到的大尺寸薄壁制件與未進行激光輔熱相比，層與層之間的有效結合寬度比提高了24%，拉伸強度提高了195%。Ravi等［85］通過在設備的機械軸上添加兩個反射鏡，噴嘴處增設一個聚焦透鏡，將激光器發射的激光反射到打印層上，提高擠出層與已冷卻層間的界面溫度與擴散度，從而增加層間黏合強度，使用該方法打印制件的層間黏合強度提高了50%。同樣是激光輔助加熱，Sabyrov等［86］提出將二極管直接安裝在噴嘴處進行激光輔助加熱，打印得到的PLA制件的拉伸強度提高了10.16%。相較于Ravi等的工作，該方法的好處是省去了多個激光輔助組件，而二極管質輕，可安裝在大部分的FDM 3D打印設備上。該方法降低成本的同時，還實現了激光器從單向加熱擴展到多方向加熱。Taylor等［87］設計了一種同軸擠出噴嘴［圖6（g）］，可使兩種不同絲條在其內部形成同心包覆熔體結構，不僅可改變打印制件的結構強度，還提供了一種制備具有高度同軸同心度核殼結構的新方法。Han等［88］設計了一種Y字型噴嘴結構［圖6（h）］，采用不同顏色的ABS絲條進行打印測試，打印制件如［圖6（i）］所示。結果表明，該噴嘴可實現層次清晰的混合打印。Baca等［89］使用不同材料組合進行打印，比較了單個混合噴嘴與多個噴嘴組合兩種打印模式的特點，發現多噴嘴在相同打印時間內，制件具有更好的力學性能，而單噴嘴在打印梯度制件時更具優勢。王曉峰等［90］設計了6種噴嘴直徑可自適應變化的擠出噴頭，提高了成型質量與效率。

圖6 改進設計后的噴嘴及打印制件Fig.6 Improved design of nozzles and printed parts

2.3 運動機構

運動機構是FDM 3D打印設備的重要組成部分，典型的有笛卡爾結構［91］［圖 7（a）］、Delta結構［92］［圖 7（b）］和龍門結構［93］［圖7（c）］。笛卡爾結構主要特點是XYZ 3軸相互垂直，XY軸的聯動控制噴頭完成對制件橫截面輪廓的掃描，Z軸帶動打印平臺實現高度方向的進給。Delta結構的特點為噴頭由3支多自由度的連桿相互聯動完成打印過程。龍門結構的特點主要是噴頭在XZ方向上運動，打印平臺在Y方向做往復運動。3種運動機構各有所長，優缺點如表2所示。

表2 典型運動結構的特點Tab.2 Characteristics of typical motion mechanism

圖7 典型運動機構Fig.7 Typical motion mechanism

為提高FDM打印制件的質量，Cunico等［94］對FDM 3D打印設備中的笛卡爾運動結構進行了優化設計，包括XYZ 3軸間滾珠絲杠、傳動組件中的皮帶輪等，并通過逆向工程建立基于多變量的理論模型，確定了各機構對打印誤差的影響。Barnett等［95］設計了一款由六自由度鋼索懸吊機器人驅動的FDM 3D打印設備，與傳統龍門結構定位系統對比，懸吊機器人定擴大了運動機構的運動范圍，且鋼索可纏繞在線軸上，使該設備更便宜、更輕、更便于運輸。Zi等［96］研制了一種由電纜驅動的并聯式FDM打印裝置（CDPP），運用3個自由度的拉索驅動噴頭運動。與傳統的剛性機構相比，CDPP增加了噴頭運動的空間。Giberti等［97］基于五軸并聯機床（PKM），將噴頭機構固定在空中，而絲材被沉積在五軸運動的打印平臺上。五軸運動比傳統的三軸具備更多的自由度，在打印過程中可不斷調整制件的打印方向，使其始終處于最佳取向，從而減少制件的“臺階效應”以及支撐材料用量。為減小PEEK在打印過程中的熱變形程度，Hu等［98］設計了自適應打印平臺［圖8（a）～（b）］。平臺釋放了XOY平面的自由度，各連接組件可沿著導板相應的槽獨立運動［圖8（c）］，可有效防止制件凸起。Shen等［99］基于Delta結構自主設計了一種靈活度很高的打印平臺［圖8（d）］，該打印平臺由計算機控制升降的基本單元構成，可在計算機的控制下使用不同方式形成不同的支撐結構。Mu?hammad等［100］將FDM與UV輔助3D打印技術結合，設計了一種可用于打印光聚合物的五軸打印設備［圖8（e）］。該打印設備與開放式的龍門結構相似，不同的是噴頭所在的機械軸由兩個附加的旋轉軸代替，旋轉軸由通過在平臺上安裝旋轉電機實現運動。該設備突破了傳統FDM 3D打印設備層層疊加的成型方式，擁有更多的自由度，可打印自由形式的結構。張文君等［101］對某一桌面級FDM 3D打印設備的運動機構進行了優化，在XYZ方向上采用滾珠絲杠和滾動螺母配合傳動代替原有的同步帶傳動。該傳動方式穩定性更好，能夠有效避免同步帶跳齒引起的精度問題［90］，優化后的設備打印誤差波動范圍明顯縮小。

圖8 改進后的運動機構Fig.8 Improved motion mechanism

3 面臨的挑戰與需解決的關鍵問題

基于自由界面、層層疊加原理的3D打印技術可制備復雜形狀和結構的制件，實現制件的個性化定制，正給整個制造業帶來了一場變革。自1989年由S.Scott Crump博士發明以來，FDM技術就由于其設備結構簡單、投入低的優點成為目前最流行的3D打印技術之一。然而FDM依然存在一些問題需改進以進一步適應未來制件高性能化和多功能化的要求。FDM加工過程可細分為進料、熔融擠出、沉積成型3個階段，每一個階段都不僅與材料有關，更與設備相關，完美的打印制件是材料與設備的協調統一結果。目前，關于FDM技術的研究大多集中在材料制備、打印過程調控、打印過程模擬，而對打印設備的研究還較欠缺。事實上，FDM存在材料受限問題的根本原因還是設備適應性差，因此對FDM 3D打印設備的研究是核心。整體而言，FDM 3D設備的研究還存在以下4個方面的挑戰：

（1）送料機構仍需進一步改進，以提高設備對材料的適應性。從FDM送料機構的發展來看，經歷了從“柱塞式”到“柱塞式”與其它技術結合（如激光輔熱）及“螺桿式”的過程。使用“柱塞”式的送料機構時，絲條不僅充當打印材料，還同時充當了“柱塞”作用，以克服流動阻力將熔體從噴嘴擠出。盡管有不少研究者通過改進送料機構如加入導管、減少驅動齒輪與液化器間的距離等來減少或避免打印過程中的“屈曲”失效，但在實際打印加工中，“柱塞式”的送料結構在打印柔性材料時依然面臨較大挑戰，尤其在引入其它功能填料（如碳納米管、石墨烯等）時只能在較低的速度條件下打印，大幅度降低了其成型效率，不利于實現其工業化應用。“螺桿式”送料機構避免了上述問題，但存在設備笨重、成本較高、打印效率低下等問題。隨著FDM加工應用領域的進一步拓展，優化并設計更為輕巧、穩定的送料機構尤為重要。

（2）FDM沉積階段的控制。在FDM沉積階段，絲條由高溫噴嘴擠出沉積在溫度較低的打印平臺上，會經歷溫度驟降，從而引起翹曲。FDM在打印結晶型高分子如PP、PE（這些高分子利用傳統的注塑、擠出工藝可順利加工成型）時，在沉積階段會發生較為明顯的翹曲現象，導致打印失敗，因此目前FDM技術所使用的材料還僅僅局限于非晶或結晶性能較差的高分子材料如PLA、ABS等。此外，從提高打印制件的最終力學性能角度來說，受限于擠出后較低的環境溫度，FDM加工中，絲條間分子鏈擴散不夠充分，導致界面結合力較差。因此，未來需進一步優化沉積階段的溫度控制系統，在更大范圍內提供較為均勻的溫度場，以延緩高分子的結晶過程，使其分子鏈間擴散更為充分，不僅有助于提高FDM設備對結晶型高分子的適應性，還有助于提高打印制件的層間結合強度。

（3）FDM打印過程的可控性和穩定性監測。實現對FDM加工過程的實時監測，有助于從本質上理解FDM打印技術，目前有研究者在FDM打印噴嘴中引入原位監測裝置，實時監測打印過程中的壓力和黏度。然而有研究者指出，這些原位監測裝置影響了打印過程的穩定性。因此，未來需進一步優化原位監測裝置，最大程度的減少其對打印過程的干涉，同時在輸出端還需把這些監測結果同打印參數對應起來，形成一個閉環，實現對FDM打印過程的精準、科學調控。此外，FDM打印加工涉及的打印參數較多，因此在打印過程中較容易出現打印不穩定現象。未來需結合機器視覺技術，實時反饋打印過程，以達到六西格瑪標準，有助于實現FDM打印的工業化應用。

（4）FDM打印過程的原位“4D打印”。4D打印是在3D打印的基礎上發展而來的，可得到更為豐富的制件，實現制件對外界刺激的響應，產生更豐富的性能和功能變化。目前，利用FDM制備4D打印制件主要是利用形狀記憶高分子材料的特點，根據材料內部不同組分的玻璃化轉變溫度進行不同的溫度處理，以獲得4D效果。在未來，可在FDM打印過程中，原位引入可控的多物理場如溫度場、電場、磁場等，結合FDM打印過程，實現4D打印。

4 結語

3D打印技術是一個多學科交叉的先進制造技術，涉及材料制備、機械控制、電子信息、控制工程等領域。同時，3D打印是工業4.0的重要引擎，是近三十年來世界制造技術領域的一次重大突破，是工業4.0全球化重要的推動因素。相較于傳統加工方式，FDM可在更短時間內成型結構復雜的制件。近年來，在不斷降低成本的同時，FDM打印的精度和速度卻在不斷增長，能打印精度更高、質量更輕、結構更復雜的制件。材料、設備和控制是決定3D打印技術水平最終高度的3個關鍵要素。對于3D打印來說，設備和材料相輔相成，只有將設備和材料統一起來，搭配精準的控制，最終才可得到性能良好的打印制件。當前，大部分工業制品都在向功能化、高性能化演變，而FDM打印仍主要集中于模型制造。因此，未來FDM 3D打印設備的發展趨勢主要考慮以下4個方面：

（1）針對不同的材料屬性和打印場合，可定制化地設計相應的送料機構。如設計更為靈巧、穩定的送料結構，以適應熱塑性彈性體材料對打印設備的嚴苛要求，避免打印過程中出現“屈曲”等失效現象。同時，還可針對高端領域應用如航空航天等，設計耐高溫的送料結構，以適應工程材料如聚醚酰亞胺、PEEK等的打印成型。由于未來太空制造會受到越來越多的重視，因此還可針對真空環境下的FDM打印加工，設計滿足在高真空的太空環境下的送料或打印機構，滿足實際需求。

（2）進一步搭建和豐富FDM加工的溫控系統，以獲得更大范圍的溫度場分布，實現成型室內的溫度精準調控，補償從噴嘴擠出到打印平臺過程中的溫度損失，以進一步提高FDM加工對結晶型高分子的適應性，提高打印制件的力學性能，減少各向異性。

（3）結合當下先進的傳感技術，構建更為精準的壓力、溫度、黏度傳感系統，實現對FDM打印全過程的監控。這有助于從本質上研究FDM打印技術，實現科學的工藝調控，降低由于打印過程缺陷帶來的損失，同時對接工業化生產。

（4）借鑒其他3D打印技術，通過多物理場調控實現FDM加工的原位4D打印。這有助于進一步拓展其應用領域。

最后，對FDM 3D打印設備的研究不可與其打印材料剝離開來。在未來，對設備的不斷完善和改進有助于進一步擴大FDM可打印材料的使用范圍，從而進一步拓展FDM 3D打印的應用領域。

北京工商大學高分子材料無鹵阻燃劑工程實驗室

高分子材料無鹵阻燃劑工程實驗室，簡稱“阻燃實驗室”，是專門從事高性能阻燃高分子材料研究的特色實驗室，涉及阻燃高分子材料和阻燃添加劑的設計與制備、結構-性能關系以及機理研究等工作。

目前，阻燃實驗室研究團隊主要由教授1人、副教授3人、講師2人、研究生20余人構成。團隊成員入選北京市百千萬人才工程（1人）、北京市長城學者（1人）、北京市青年拔尖人才（2人）。阻燃實驗室配備有齊全的開展高水平研究所需的各類阻燃材料測試儀器裝備，包括錐形量熱儀、熱失重-紅外-氣相色譜-質譜四級聯用儀、熱裂解-氣相色譜-質譜三級聯用儀、熱臺-紅外聯用儀、掃描電鏡、紅外熱成像儀、氧指數儀、水平/垂直燃燒試驗箱、微型燃燒量熱儀、煙密度箱、灼熱絲、凝膠滲透色譜儀等設備。

阻燃實驗室近年來發表SCI收錄論文70余篇，獲授權國家發明專利30余項，出版學術著作6部、教材2部、科普讀物1部。在承擔項目方面，阻燃實驗室承擔有國家重點研發計劃、國家863計劃、國家自然科學基金面上項目、青年基金、北京市創新能力提升計劃、北京青年拔尖人才項目、北京市教委重點項目暨北京自然科學基金項目、中以合作項目、企業委托產學研合作等研究課題50余項。

在產業化技術方面完成有高分子溴化環氧樹脂、溴化聚苯乙烯、三(三溴苯氧基)-三嗪、磷雜菲衍生物、三聚氰胺氰脲酸鹽高濃度制備工藝、六溴環十二烷替代品等產業化項目，累計實現產值100多億元。

2013年獲中國石油和化學工業聯合會青年科技突出貢獻獎，2014年獲中國石油和化學工業聯合科學技術發明二等獎。