Stratasys公司FDM-3D打印專利技術綜述

趙　翀　鄧曉波　郝晨暉　王　婷　趙鳳霞（國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南　鄭州 450002）

Stratasys公司FDM-3D打印專利技術綜述

趙翀鄧曉波郝晨暉王婷趙鳳霞
（國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州 450002）

本文對Stratasys公司FDM-3D打印專利申請進行了介紹，主要從Stratasys公司的專利發(fā)展脈絡、申請量變化等方面進行統(tǒng)計分析，綜述了FDM-3D打印的成型機理，并根據(jù)Stratasys公司對FDM-3D打印的專利申請的主要改進點進行專利梳理，發(fā)掘FDM領域及其相關領域的重點專利技術，為我國的FDM成型研究提供一定的參考。

FDM Stratasys公司；液化器；支撐結構；打印絲；打印方法

1　研究概況

1.1研究背景、內容和目的

上世紀八十年代，快速成型制造技術（Rapid Prototyping and Manufacturing，RPM）問世，在短短的幾十年間，關于快速成型制造技術的相關技術領域得到了高速發(fā)展。雖然快速成型制造技術得到了長足的發(fā)展，但很顯然，國內外對其研究還不成熟，尚有眾多改進余地，尤其是高昂的制造成本大大限定了該項技術的發(fā)展，熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）則是RPM技術中大量應用的一種，由于FDM［1］是RPM中唯一一種不需要激光器的成型方式，這種成型機的價格最低，近年來，國內外各大企業(yè)、高校針對FDM成型技術做了大量的研究工作，但目前FDM成型產(chǎn)品還存在諸如較大的翹曲變形、較低的產(chǎn)品尺寸精度、較低的致密度和表面光潔度等，這就需要深入的分析和研究FDM成型過程的機理和它的產(chǎn)品零件的密度、強度、精度的影響因素。

而Stratasys公司是FDM成型技術的全球領跑者，已在全球安裝了大量的原型和直接數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)，其數(shù)量之多沒有其他任何一家公司能及。公司通過為原型創(chuàng)造性地推出產(chǎn)品級材料，引導Real PartsTM的直接數(shù)字化生產(chǎn)，從而成為技術革新的佼佼者。Stratasys公司目前占有41％的市場份額，已經(jīng)連續(xù)5年在市場上領跑［2］。

本文主要通過對Stratasys公司針對FDM成型領域的專利申請進行詳細分解，理清該公司在FDM領域的技術脈絡，發(fā)掘FDM領域及其相關的領域的重點專利技術，為我國的FDM成型研究提供一定的參考。

1.2FDM-3D打印技術研究概況

FDM工藝由美國學者Scott Crump博士于1988年率先提出，隨后于1991年開發(fā)了第一臺商用成型機。FDM成型機主要包括液化器（噴頭）、絲材供給裝置、液化器移動控制部、加熱工作室、工作臺等部件組成。

目前相關研究主要在以下幾點內容：

熔絲材料：通常采用熱塑性材料，而隨著研究的深入，愈來愈多的新材料被研發(fā)出來，例如，1998年澳大利亞Swinbum工業(yè)大學，研究了金屬-塑料復合材料絲；提高了材料的強度和硬度；1999年，Stratasys公司開發(fā)出水溶性支撐材料；近年，Stratasys公司開發(fā)的多彩混合材料等。

軟件：Stratasys公司開發(fā)針對FDM的QuickSlice、針對Genisys系統(tǒng)的AutoGen3.0軟件包；Helisys公司開發(fā)了面向Windows的LOMSlice軟件；Solid Concepts公司開發(fā)了SolidView3.0軟件。

液化器：液化器是FDM成型機中最為復雜的部分，目前，Stratasys公司為主要的研究者。

國內進行FDM成型研究的機構主要有清華大學、華中科技大學、上海交通大學、西安交通大學、南京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、大連理工大學、北京隆源自動成形系統(tǒng)有限公司、北京航空工藝研究所和上海富奇凡機電科技有限公司等。

1.3FDM-3D打印技術應用概況

FDM成型工藝既能用在零件的概念設計與造型、功能試驗場合，又能夠直接用在零件設計與制造、工具（模具）設計以及機械設計等方面，具體為：

（1）零件設計制造與功能試驗，航空航天、汽車工業(yè)、模具制造等；

（2）醫(yī)學方面，例如假肢的設計與加工等；

（3）藝術品加工制作，裝飾品等；

（4）單件、小批量和特殊復雜零件的直接生產(chǎn)。

2　FDM-3D打印技術專利申請概況

2.1申請趨勢以及技術分支分布

對于Stratasys公司歷年專利申請量進行分析，由圖1可知，申請量呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，這是由于3D打印技術一經(jīng)推出便成為研究熱點，然而由于打印成本高昂且技術儲備不足導致其應用范圍較窄，因而在2001年后專利申請量有所回落，而后期由于技術進步克服相關瓶頸導致成本降低以及人們對桌面級打印機市場廣泛需求，導致申請量大幅增加。

圖1　各年份專利申請量情況

圖2　技術分支專利申請量分布

參見圖2，筆者將Stratasys公司的專利技術分布做了以下歸類，總體而言，可以分為四個技術大類，分別為液化器、打印方法、打印絲材和支撐結構。其中因為液化器是FDM成型裝置最為重要的結構部分，因此針對液化器的改進的專利申請數(shù)量最多，其次打印方法和打印絲材的改進的專利申請數(shù)量相當，緊隨其后，最后是支撐材料的改進。目前，液化器的改進點主要集中在液化器結構、計算機和傳感器等輔助手段的進一步應用以及液化器的清潔等方面，其中以液化器結構的改進專利申請量最多；打印方法的改進點主要集中在提高打印的精度和效率方面；打印絲材的改進點主要是絲材本身材質和結構的改進以及送絲機構的改進；支撐材料的改進點主要在于支撐材料本身材質以及支撐材料成型方法和結構的改進。以上內容將在下一部分進行展開描述。

3　重點技術分析

3.1液化器的改進研究

液化器是FDM成型機中最為復雜的部分，直接影響三維制品的最終成型精度和質量。經(jīng)初步統(tǒng)計，參見圖3，Stratasys主要通過以下方面對液化器進行改進：

3.1.1液化器的清潔

FDM在成型時，絲材在液化器中加熱熔融，不斷從液化器中噴出，逐層打印形成制品，在打印的過程中，可能需要液化器切換打印，亦或者在每層打印完成后都會進行停車固化，此時，液化器中的熔融絲材不再進行加熱，逐漸冷卻固化，如果不進行清理，往往會堵塞液化器頭，造成打印過程的中斷或打印質量的下降。US2014252684A1給出了一種典型的液化器清潔手段，其公開了利用多個液化器進行切換用于打印三維部件的層以及支撐結構的層，在三維部件和支撐結構的層的打印過程中，在待機模式和操作模式之間切換液化器，同時在工作臺上打印凈化塔（利用打印材料在工作臺上打印出于支撐材料和三維部件相似的用于擦拭液化器的三維構件），凈化塔被構造成立體三維機構，并且在Z軸上，下層面積大于上層面積，可避免晃動，這種清潔的好處是，在待機模式下可以利用打印凈化塔來排出已經(jīng)固化的絲材，同時，在切換到操作模式之前，可以利用凈化塔對液化器進行擦拭。

圖3　FDM液化器改進路線圖

3.1.2液化器的定位

液化器的位置對于打印三維制品來說是十分重要的，通過改進的定位手段，一是能夠保證位置的精確性，二是能夠縮短位移所需的時間。TW474864B公開了一種利用磁性將液化器懸浮的手段，液化器被磁性的懸浮于一定子板下且其借由一流體軸承而與蓋定子板隔開，供給該液化器的驅動信號產(chǎn)生電磁力驅動以在高速下將液化器沿X和Y方向移動，并提供一個與該液化器連接的腳狀件提供機械式緩動其可降低擠出頭移動期間的諧振，使得液化器的位置可被精確及可靠的加以控制。US2015137402A則公開了一種利用偏心彈簧懸裝在打印表面的上方，并利用機器人自動切換液化器的裝置。

3.1.3液化器的結構

液化器結構的改進一直是Stratasys研究的重點，液化器料筒的形狀和尺寸、出料口的截面、加熱器和傳感器的分布等因素均有涉及，其中US2014120197A1（2014）公開了一種液化器結構的改進，彎月面干燥效應、加熱及材料膨脹、長絲直徑變化均會改變液化器組件的擠出速率及流動控制，可能產(chǎn)生劣等的模型制品，通過改善液化器組件，使液化器組件由階梯式兩部分組成，該階梯式液化器組件包括上游部分及下游部分，其中上游部分內部橫截面積比下游部分小。經(jīng)兩個橫截面積之間的肩部配置，限制可消耗材料熔融彎月面的移動，改善3D模型結構減少構建時間，同時可在該基礎上做出各種變形，例如上游部分或下游部分的襯套管可以使用多層結構，其內部層可以具有較低的摩擦系數(shù)，方便長絲的輸送，或者改變熱膨脹系數(shù)，以抵御長絲輸送速率的改變而引起的擠出速率及流動控制的變化。US2015097307A1（2015）公開了一種在液化器周圍設置一個或多個加熱元件，并設置多個熱敏電阻，同時設置多個傳感器，以用于動態(tài)控制流速的液化器結構。US2009035405A1（2009）公開了一種液化器結構，液化器的切換涉及液化器的部件的機械運動，多次切換可能引起對一個或更多個部件的磨損和未對準。這樣的磨損和未對準可以降低所獲得的3D目標和支撐結構的質量和精度。液化器要求在延長的使用周期內具有好的耐用性和可靠性。該種液化器包括至少一個安裝結構；第一液化器泵，所述第一液化器泵被固定于所述至少一個安裝結構上；第二液化器泵，所述第二液化器泵被靠近第一液化器泵設置；切換機構，所述切換機構被所述至少一個安裝結構支撐，并被配置以沿第一軸線相對于所述第一液化器泵移動所述第二液化器泵；和槽接合組件，所述槽接合組件與所述第二液化器泵部分地相連接，以限定所述第二液化器泵沿所述第一軸線的運動范圍。

CN102548736A（2011）公開了一種帶狀液化器結構，包括外液化器部分，所述外液化器部分被構造成從熱傳遞部件接收熱能；和通道，所述通道至少部分地由所述外液化器部分限定，所述通道具有入口端和出口端，所述入口端具有被構造成容納帶狀細絲的尺寸，其中所述帶狀液化器被構造成通過接收的熱能使容納在所述通道中的所述帶狀細絲熔化到至少可擠出狀態(tài)以提供熔融流，并且其中所述通道的尺寸還被構造成使所述熔融流在所述通道中符合軸向不對稱流，和擠出端，所述擠出端在通道的出口端處從所述外液化器部分延伸，其中所述擠出端的尺寸被構造成使所述熔融流從在所述通道中的軸向不對稱流變?yōu)榛旧陷S向對稱流，以從所述擠出端擠出；其中帶狀細絲的未熔化部分用作作用于帶狀細絲的未熔化部分與通道的壁之間的熔融流上的具有粘性泵的活塞，導致熔融流流出擠出端。

US2009273122A1（2009）公開了一種具有溫度梯度的液化器，該液化器有熱塊，從熔絲入口到熔絲出口，熱塊沿液化器管側壁軸向方向產(chǎn)生溫度梯度。

3.1.4液化器控制程序

CN155306A公開了一種液化器控制程序，從管嘴擠出的材料的流速是細絲被推至液化器出料口的速度的函數(shù)。通過控制細絲推進入液化器的速度來控制流速。控制器控制擠壓頭在水平x，y平面中的移動，控制基體在垂直z方向的移動，并且控制進給輥推進細絲的速度。通過同步控制這些過程變量，造型材料沿著CAD模型定義的工具路線層層地沉積成“串珠（beads）”。利用恒定的沿工具路線的擠壓頭速度，串珠寬度保持相當?shù)囊恢拢窃诠ぞ呗肪€的始點和終點處會產(chǎn)生誤差，例如在“接合（seam）”處（也就是封閉環(huán)工具路線的始點和終點）。相比于現(xiàn)有技術中的可變速系統(tǒng)引入了更大的串珠寬度誤差，并且有接合誤差。希望在使可變速率系統(tǒng)的生產(chǎn)量較高的同時，減小串珠寬度誤差和接合質量誤差，以便獲得所需的擠壓輪廓。

US2015343688A1公開了一種液化器快速回位方法，在多點水平測量中，液化器需要返回到初始高度，如果打印材料是塑料的話，水平測量通常需要等到液化器冷卻下來，塑料固化之后，液化器很久才能回位，現(xiàn)在提供一種非熔化接觸點，以保證液化器溫度很高時即可回位。計算4次z軸初始高度，計算補償值，加熱液化器，清潔液化器。

3.2支撐材料的改進研究

在三維立體成型過程中，由于未被固化的部分材料仍為液態(tài)，它不能使制件截面上的孤立輪廓和懸臂輪廓定位，因此，對于這樣一些結構，必須在制作前對其施加支撐，而支撐材料除了能夠確保原型的每一結構部分都能可靠固定之外，還有助于減少原型在制作過程中發(fā)生的翹曲變形，圖4顯示了支撐材料的改進路線圖，改進主要從材料本身，成型方法和移除裝置等三面進行。

圖4　FDM支撐材料改進路線圖

3.2.1支撐材料的改進

為了支撐三維制品模型，支撐材料必須粘附到制品材料上。同時，由于支撐材料為支撐制品的基礎層，支撐材料應同樣可拆除地粘附到制品材料上。制品坐落在支撐材料上后，如何將支撐材料從制品上移除而不損壞制品一直是一個難以解決的技術問題。US2003004600A1公開了一種用于三維模型制品打印的材料和方法，它通過沉積含有約0.5至10重量百分比硅氧烷的熱塑性塑料組合物的多層來成型支撐結構。其中硅氧烷起脫模劑的作用，促進三維模型制品建成后從中拆除支撐結構。硅氧烷脫模劑還表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，促進該材料在高溫建造環(huán)境中的使用，硅氧烷還可保護三維模型制作裝置的擠出頭或噴射頭噴嘴，避免產(chǎn)生材料堵塞，與極高粘度的硅氧烷相比，中等粘度的硅氧烷是一種更好的脫模劑，其中6萬厘沲為中等粘度，5千萬厘沲為極高粘度。在基礎聚合物中加入少量的硅氧烷削弱了基礎聚合物與打印制品材料之間的粘接，從而使聚合物可用來形成可從模型脫離的支撐結構。CN1347363A公開了一種包含羥酸的基礎聚合物和一種塑化劑的堿性可溶熱塑性材料，通過將支撐結構放入堿性熔池中熔化而使之從完成的模型上移去。CN1552017A公開了一種包含選自聚亞苯基醚和聚烯烴的混合物、聚苯砜和無定形聚酰胺的混合物、聚苯砜和聚砜以及無定形聚酰胺的混合物的支撐材料，所述支撐材料是自層合的、形成與造型材料的弱的易分開的粘合、并且具有在造型材料的熱撓曲溫度的20℃內的熱撓曲溫度，所述粘合使得能夠將支撐材料從所述三維物體中分離出來而不損害所述三維物體。

3.2.2支撐材料成型方法的改進

快速成型技術中制品和支撐結構一般均是從下向上逐層打印成型，如果制品有凹凸等結構，例如凸出部分，這種結構一般處在懸空狀態(tài)，需要設置支承結構，否則在打印的過程中容易產(chǎn)生坍塌，但是支承結構會增加制造的復雜性并且限制制品的尺寸。EP0666163A2公開了一種利用搭接技術來成型支撐結構的方法：它通過電腦輔助系統(tǒng)逐層打印，擠出設備通過噴嘴擠出熔融塑料；通過控制噴頭在x-y平面內運動，從而生成CAD預設的模型中的一層，第一層完成后噴頭向上運動，完成第二層的擠出成型，直到支撐結構成型。通過搭接技術，減少支承結構材料的的使用和加工時間，并減少制件的后處理時間，并且搭界技術的運用可以直接形成二維平面，而不用分層制造之后疊加。EP1177098A1公開了一種使用3軸定位熱塑性擠出機成型支撐材料的方法，其通過逐行逐列的將液珠沉積到相鄰的液珠上，能夠保證擠出液珠的垂直高度至少與水平高度的尺寸一致。從而，其在熔絲沉積快速成型過程中，加快了成型的速度，減少了花費并且減少了零件制造時支承結構的數(shù)量。

3.2.3支撐材料移除裝置的改進

三維打印中使用的支撐材料通常分為兩種類型：能夠移除的支撐材料和可溶性的支撐材料。能夠移除的支撐材料可以用手或者使用工具從得到的三維零件中移除。與之對比，可溶性支撐材料能夠溶解在水溶液中?？扇苄灾尾牧侠硐氲娜芙庑枰訜岷蛿嚢?，目前市售的支撐材料移除槽已十分成熟，可以用來溶解支撐材料。US2013075957A1公開了一種支撐結構的移除裝置，它包括：（1）一個槽，其具有一個頂部開口的用來盛放流體水的槽的本體；一個通過槽的本體來支撐的多孔板，三維零件通過槽頂部的開口插入放入多孔板中；一個多孔板下方的旋轉葉輪；（2）第二個組成包括用來接收槽的平面，表面下的旋轉感應裝置，當槽放置在平面上時，旋轉感應裝置帶動葉輪轉動，從而使流體水通過多孔板流入槽中。通過將成型后的三維零件和支撐材料放入槽中，葉輪通過轉動使水溶液從多孔板進入槽內部，進而實現(xiàn)支撐材料的溶解。

3.3打印絲材以及送絲機構的研究

經(jīng)過對stratasys公司基于FDM技術3D打印專利進行統(tǒng)計，其主要通過以下方面對打印絲材以及送絲機構進行改進：熔絲材料類型改進、熔絲材料結構改進、送絲機構改進、送絲工藝改進，參見圖5。

圖5　FDM打印絲材及送絲機構改進路線圖

3.3.1熔絲材料類型改進

三維物體的構成材料通常表現(xiàn)出非牛頓流動特性，即構成材料在擠出流動的初始啟動階段抵抗移動。因此，許多3D物體共有的問題是由于非牛頓流動特性所導致的擠出頭的響應時間的限制。這種限制可能降低沉積精確度，并且特別是可以看到其中每層所沉積的構成材料的量相對較小的微細部件結構。因此，需要改善用于沉積構成材料的擠出頭的響應時間的構造3D物體的方法。美國專利US2009295032A1中使用改性ABS材料制備打印絲，其具有改善的響應時間，由此改善沉積工藝的精確度，另外，改性ABS材料能夠為3D物體提供優(yōu)良的層間粘附力和零件強度，其通過將改性ABS材料送入基于擠壓的分層沉積系統(tǒng)的擠出頭，在改善擠出頭的響應時間的條件下，在擠出頭中熔化所送入的改性ABS材料，以及以逐層的方式沉積所熔化的改性ABS材料，以形成3D物體。此外為了提高打印物體的強度，CN1784295A中則使用高強度PPSF/PC混合熱塑性材料作為打印絲材，這種熱塑性材料表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，能夠防止在三維造型設備的噴嘴中積聚，具有很高的耐化學性，并且由這種材料制成的模型表現(xiàn)出良好的強度。而US2001025073A1中則使用高強度材料PEO用于成型，這個高強度材料可以容易的融化擠出形成層狀物并且隨后可以冷卻固化使復雜形狀的零件能夠自由準確的組裝，且能夠按順序的一層層的疊加使制品成型；高強度材料能夠在擠出設備中作為支承材料來阻止熔融沉積材料層的松垮，同時保證復雜制品的幾何精度，而WO2015054021A1中則使用熱塑性纖維和礦物晶須增強的熱塑性彈性體作為打印絲材料，進一步提高了打印件的打印強度。

3.3.2熔絲材料結構改進

隨著技術的發(fā)展，單純依靠改變材料類型進而提升打印絲打印性能以及三維打印件的性能遇到瓶頸，尤其是在提升打印絲打印性能方面，基于此CN102548737A介紹了一種基于擠出的數(shù)字制造系統(tǒng)中使用的造型材料和支撐材料的非圓柱形細絲以及用于制造所述非圓柱形細絲的方法和系統(tǒng)，該方法中使用非圓柱形細絲，這種非圓柱形細絲在具有相同體積流量的情況下與由圓柱形液化器熔化并擠出的圓柱形細絲相比能夠以減少的響應時間由非圓柱形液化器熔化并擠出的消耗材料。這有利于提高沉積精度并減少構建時間，從而增加用于構建3D模型和相應的支撐結構的過程效率，同樣的CN102548736A中則介紹了一種使用帶狀細絲的打印方法，其同樣具有上述效果。此外，US2012231225A1中提出了一種雙層絲材結構，其內層芯為第一熱塑性材料，外殼為第二熱塑性材料，打印時按照絲的橫截面設計打印路線，能夠改善打印過程中的翹曲變形，減少變形，內應力以及半結晶材料的下垂，而US2012037329A1中則使用具有不同結晶溫度的內芯與外殼材料從而防止打印時的翹曲變形，而US2011233804A1中則提供了一種表面帶有編碼標記的打印絲材，上述帶編碼的絲材通過光學傳感器輸送，從而大幅提高送絲精度。

3.3.3送絲機構改進

送絲機構是3D打印機的關鍵部件，US2010096485A1中公開了一種熔絲供給容器，具有從線圈處的導向支撐熔絲的熔絲通道，使用傳感器用以探測熔絲是否通過，從而提高送絲精度，而CN1386089A中則提供了一種氣密的絲料盒，絲料盒包括一個纏繞細絲的旋轉卷盤和細絲可由其中穿過絲料盒的出口。絲料盒接受器用于接受絲料盒，安裝在模型成型機的裝填艙中。絲料盒接受器包括一個用于接受來自絲料盒的細絲的管道和用于將細絲通過管道進給的驅動裝置，這種封閉性結構能夠防止絲料受潮或污染，從而大幅提高打印精度，而US2014117585 A1中則提供了一種帶有標簽的儲絲圈，其通過設置帶有數(shù)字標簽的多個儲料筒或儲絲線圈，通過讀取器上的數(shù)字信息來決定如何使用打印材料打印三維物體，從而初步實現(xiàn)了送絲機構的智能化控制。

3.3.4送絲工藝改進

一般情況下，在送絲機構確定以后，其送絲工藝也容易確定，因而關于送絲工藝的專利文獻較少，其涉及到送絲過程中的參數(shù)控制。如US5866058A中公開了一種提高打印質量的方法，其通過合理設置打印環(huán)境溫度以防止打印件產(chǎn)生幾何畸變，具體的其在沉積溫度下連續(xù)的擠出熱固性材料到環(huán)境中，并且控制新擠出材料附近的環(huán)境的溫度保持在材料的固化溫度和蠕變溫度之間，隨后新擠出材料在固化溫度之下逐漸冷卻，但是仍然保持幾何形狀的溫度梯度在理想的幾何精度所需的溫度梯度的最大值之下，通過該打印過程防止產(chǎn)品產(chǎn)生畸變，而US2014265040A1則公開了一種檢測熔絲流速的裝置，其利用監(jiān)測裝置控制擠出熔融絲料的流速，例如光學元件，利用傳感器調控流速達到控制擠出速度的目的。

3.43D打印方法研究

經(jīng)初步統(tǒng)計，參見圖6，目前打印方法的研究主要針對打印精度和打印效率兩方面進行改進，而隨著計算機和傳感技術的日益成熟，利用計算機對打印物體進行優(yōu)化的網(wǎng)格劃分，并利用傳感器對打印器械進行在線監(jiān)測已成為主流。

3.4.1對打印精度的改進

三維打印粒子材料在堆疊過程中包括與計算機輔助CAD設計系統(tǒng)形成響應，而三維打印過程中的粒子堆疊的精確性對三維成品的質量具有很大的影響，因此需要改善粒子材料堆疊的精度，美國專利US5491643A中，通過在至少一維平面中確定所需成型制品的特征，將所表征的制品的特征參數(shù)在一空間中連續(xù)成統(tǒng)一的整體，再選擇制品預設部分的理想的參數(shù)特征值所表示的區(qū)域中的坐標值進行打印，可以使粒子材料能夠更精確的按照制品的預設形狀進行打印，提高了打印精度。

三維打印機的部件會隨著時間的增加而老化，會變的凹陷、彎曲、擠出頭的對準度下降，三維打印機這些缺陷的存在會降低打印精度，美國專利US2014117575A1采用一種數(shù)字智能的打印方法，利用熔絲沉積或熔融沉積制造平面層狀材料，利用檢測裝置檢測擠出頭或打印頭與工件之間的接觸力，或者平整度等，由此轉換為數(shù)字信號控制打印過程，從而保證打印質量。

對3D打印機更換擠出端部，需要重新進行校準，校準程序包括校準Z軸端部導基板的位置偏移，以在建造模型之前保證系統(tǒng)獲得擠出端部和基板之間的空間關系，若校準不準確則會使打印精度下降，中國專利CN101460290A提供一種不需要操作者干涉或判斷的在三維成型機中執(zhí)行校準程序的方法，以自動校準擠出端部，提高了校準的可靠性，節(jié)省了時間，通過控制器控制建造的每層的高度和位置，使其在限定的位置表示三維結構的材料建造輪廓。然后，確定材料建造輪廓的相對位置。標識期望的建造輪廓，然后與材料建造輪廓的確定的相對位置比較，以標識表示位置偏移的任何差異。然后，成型系統(tǒng)根據(jù)位置偏移定位沉積裝置。

圖6　FDM打印方法改進路線圖

3.4.2三維打印的網(wǎng)絡化

如今網(wǎng)絡發(fā)展越來越快，通過網(wǎng)絡對3D打印進行控制可以更好的制造出遠程用戶所需要的制品，對3D打印的發(fā)展具有重要的意義。中國專利CN104203547A提出可以采用將三維打印機和網(wǎng)絡相結合，通過設置在三維打印機上的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡接口，和被定位成從一視點捕捉構造容積的視頻的視頻攝像機，以及被配置成通過網(wǎng)絡接口接受三維模型并且控制三維打印機的操作以便將三維打印模型制作呈三維打印機的構造容積內的對象的處理器，其中處理器可以通過接口，呈現(xiàn)來自攝像機的構造容積的圖像和三維模型的二維投影，通過該圖像的分析，可以用來預測進展來進行跟蹤，以便識別打印過程中的各種因素的干擾。

美國專利US8818544B2提供了一種計算支撐材料體積的方法，以計算機為擠出建立樹狀數(shù)據(jù)單元網(wǎng)格，該單元網(wǎng)格定義為大量的單元陣列，通過使用固體認知網(wǎng)絡（SIG）的計算機程序，能夠快速的計算出3D打印制品所需的支撐材料的體積。

3.4.3對打印速率的改進

在連續(xù)粒子擠出快速打印過程中，熔融的粘性粒子很難填滿120°的轉角，并且粒子在熱熔區(qū)會和其他物質如空氣中的水和氧氣反應，使打印出每一層的粒子材料的性質均不相同，且粒子材料在擠出后會發(fā)生收縮，而這些問題均和打印速度有關。美國專利US2013009338A采用控制材料的層疊速率來改變三維制品的表面織構等其他表面特征，從而得到非均勻表面織構的三維制品，從而改善三維制品的表面質量。

美國專利US2014048970A1中材料擠出速率按照預定路線跟隨擠出路徑的變化進行調整，從而改善三維打印表面質量。

中國專利CN1386089A通過在擠壓機上設置增壓級，從而使物料從管嘴擠出的速率和被擠壓物粘度增大的能力同時增加，擠出速率增大就使有形零件能更快地制成，粘度增大的能力增加使制出的有形零件具有更多所需的機械性能，同時減小被擠壓物的橫截面積以達到較好的性能。

美國專利US5653925A與上述專利不同，其采用間接控制擠出速率的方式，即通過在制造過程中在部件中引入孔隙，且這個孔隙程度應當可以使制品具有可靠的強度，部件中孔隙的增加可以減少沉積時層與層之間或每一層對擠出速率的敏感程度，并且可以允許擠出物具有高的粘度和表面張力，采用此種方式可以補償部件內部膨脹，從而減少鑄模的破損；可以減少后續(xù)工序步驟；可以使尺寸更精確；可以使用更廣的材料進行沉積；提高制造精度。

3.4.4對三維打印分辨率的改進

在三維打印過程中一般是采用路徑寬度不變的分辨率進行打印，從而能夠快速成型，但是在此生成的構建路徑內會出現(xiàn)小空區(qū)域的問題，這些小空區(qū)域一般小于恒定路徑寬度分辨率，因此，在數(shù)據(jù)生成時被忽略。這樣就造成在構建材料沉積路徑之間形成空腔，其相應增加了所得到的3D物體的孔隙度，因此，降低了所得到的3D物體的結構完整性和密封特性。中國專利CN101401102A提出可以采用在構建路徑限定空區(qū)域，并且在空區(qū)域內生成至少一條中間路徑，并根據(jù)該中間路徑來生成剩余的路徑的方法，從而降低3D制品中的空隙度，增加制品的分辨率。

中國專利CN101449295A對提高由具有良好物理特性的諸如熱塑性材料建造三維物體的速度和分辨率做了一定貢獻，該專利則采用將噴射技術和熔融沉積成型原理相結合的方式，通過噴射第一材料的方式形成限定支撐結構的增量的多個層，此時噴射使支撐結構的增量具有高分辨率的內部表面，該支撐結構用作可同時用其結構填充的高分辨率模型，這樣使三維物體由具有良好物理特性的材料以高沉積速率形成并具有高表面分辨率。

3.4.5對三維打印過程的改進

美國專利US2015145174A1對3D打印的印盤做了改進，在印盤上設置多組磁性裝置，從而可以通過印盤周圍的磁場將打印在構造板上的3D打印制品從印盤上移走，并包括將構造板從3D打印制品中移除的過程，之后進行連續(xù)作業(yè)。

4　結論

目前來看，Stratasys在FDM成型領域中占據(jù)絕對領導地位，專利申請涵蓋了打印裝置、材料、軟件控制等方方面面，以目前國內企業(yè)的技術儲備和專利布局來看，基本處于全面落后的狀態(tài)，但FDM成型顯然還有諸多可以改進的方面，以下為筆者的一些觀點，僅供參考，例如：

1.具體結構細節(jié)，例如打印頭的改進，目前多打印頭已成為趨勢，但打印頭的切換方式多種多樣，隨之而來的不同的打印頭的孔徑尺寸均可以成為改進點；

2.打印材料的改進，3D制品材料和支撐材料的成分和結構均可以成為改進點，針對材料的改進不依賴打印裝置，更容易繞開現(xiàn)有專利的限制。

3.打印控制方法的改進，隨著計算機技術的發(fā)展，精確打印和高效打印控制方法已深深地融合到FDM成型中來，如何利用計算機技術來優(yōu)化打印方法，例如控制打印頭走位和響應、優(yōu)化模型分層、消除臺階效應、制品的后加工等，也有諸多改進的余地。

Stratasys在FDM成型領域技術力量雄厚，專利布局也比較廣泛，其中諸多技術和思路十分值得其他企業(yè)借鑒，相信隨著研究的不斷深入，F(xiàn)DM必將能夠更加成熟，并實現(xiàn)更大規(guī)模的生產(chǎn)與應用。

［1］普立得科技.Stratasys 3D打印世界［J］.航空制造技術，2015（5）：105.

［2］朱金龍，趙寒濤，吳岡等.大幅面工業(yè)級熔融沉積式FDM 3D打印機［J］.自動化技術與應用，2016，35（1）：115-118.

Analysis on the Patent of Fused Deposition Modeling-Three Dimensional Printing Technology of Stratasys Corporation

Zhao ChongDeng XiaoboHao ChenhuiWang TingZhao Fengxia
（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office，SIPO，Zhengzhou Henan 450002）

The fused deposition modeling of three dimensional printing technology of Stratasys corporation is introduced in this paper，while briefly analyzes on the progress of patent evolution and the tendency on the amounts of the applicants，and also the important applicants.The development and the technicalimprovement of FDM are also discussed.Aiming at providing some suggestions to the research of domestic enterprises.

fused deposition modeling；stratasys；liquifier；filament；support；printing

TG665

A

1003-5168（2016）05-0070-07

2016-5-15

趙翀（1989-），男，碩士，審查員，研究方向：材料領域發(fā)明申請的實質審查；鄧曉波（1988-），男，碩士，審查員，研究方向：材料領域發(fā)明申請的實質審查（等同于第一作者）。