熔融式3D打印的研究現(xiàn)狀及發(fā)展應(yīng)用

辛增念

（江西科技學(xué)院協(xié)同創(chuàng)新中心，江西 南昌330098）

3D 打印技術(shù)起源于20 世紀(jì)80 年代，2012 年美國總統(tǒng)奧巴馬把3D 打印技術(shù)列入國家制造業(yè)的創(chuàng)新中心之一，并撥款成立了國家級3D 打印工業(yè)研究中心[1]。自此，全球范圍內(nèi)掀起了一場關(guān)于3D 打印的技術(shù)熱潮，2012 年英國雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》稱3D 打印引來了第三次工業(yè)革命[2]。熔融沉積成型3D 打印技術(shù)屬于3D 打印技術(shù)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(shù)，本文主要研究熔融沉積成型3D 打印機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀，以及它的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域。

1 熔融式3D 打印技術(shù)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(tǒng)的制造業(yè)采用的是等材制造和減材制造，通過鑄造、焊接、機(jī)床以及切削加工來完成材料的加工[3]。與傳統(tǒng)的等材制造和減材制造相比，3D 打印節(jié)省了材料，并簡化了復(fù)雜的加工工藝。3D 打印技術(shù)發(fā)展至今，根據(jù)打印材料和原理的不同，主要包括了6 種打印技術(shù)，分別是：光固化成型技術(shù)(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(Selective Laser Sintering,SLS)、分層實(shí)體制造技術(shù)(Laminated Object Manufacturing,LOM)、疊層實(shí)體制造技術(shù)(Laminated object manufacturing,LOM)、三維噴涂粘結(jié)技術(shù)(There dimensional printing and gluing,3DPG)和熔融式沉積成型技術(shù)(Fused Deposition Modeling,FDM)。

熔融式3D 打印是通過加熱融化材料來實(shí)現(xiàn)3D 打印的，常用的打印材料主要為便于熔融的低熔點(diǎn)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(diǎn)不同，加熱溫度也不同。打印時(shí)根據(jù)不同材料來調(diào)整加熱溫度。

2 熔融式3D 打印機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究

熔融式3D 打印機(jī)在打印前，把熔融型的打印材料做成細(xì)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(chǔ)在打印機(jī)內(nèi)存中。打印時(shí)3D 打印機(jī)把儲(chǔ)存的立體圖形分切成多個(gè)平面，打印機(jī)接收到平面數(shù)據(jù)后，通過電機(jī)把細(xì)絲狀的打印材料送到加熱噴腔內(nèi)，根據(jù)不同的打印材料設(shè)置不同的噴腔溫度，把材料融化后鋪在打印機(jī)底板上，打印完一層后，底板下移一層，噴嘴繼續(xù)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(chǎn)品。圖1 為熔融沉積成型（FDM）打印機(jī)原理圖。

圖1 FDM 打印機(jī)原理圖

2.1 熔融式3D 打印噴頭的研究

熔融式3D 打印機(jī)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(jī)的關(guān)鍵部分，它直接影響打印精度。同時(shí)，打印噴頭也是經(jīng)常出故障的零件，F(xiàn)DM打印機(jī)故障大多數(shù)情況下都是因?yàn)閲婎^故障引起。目前FDM打印機(jī)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(jī)帶動(dòng)兩邊的齒輪嚙合進(jìn)行送料，螺桿式噴頭通過電機(jī)帶動(dòng)噴頭旋轉(zhuǎn)進(jìn)行送料。柱塞式噴頭在打印時(shí)由于受熱不均溫，當(dāng)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(jī)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(gè)不同部分分別實(shí)行溫度控制，使得噴頭內(nèi)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(tǒng)噴頭由于溫度一致而導(dǎo)致的噴頭堵塞、斷絲等現(xiàn)象，提高了打印效率，減低了打印機(jī)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(jī)。通過在噴頭旁邊開通一個(gè)進(jìn)氣口，使得擠出的細(xì)絲直徑保持不變，提高了材料的擠出速率，且擠出的細(xì)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(jīng)由染色環(huán)對原材料進(jìn)行染色，實(shí)現(xiàn)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(zhì)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(tǒng)的研究

熔融式3D 打印機(jī)的溫度控制系統(tǒng)主要是加熱噴頭的溫度控制系統(tǒng)和底板的溫度控制系統(tǒng)。打印不同熔點(diǎn)的材料設(shè)置不同的溫度，打印時(shí)，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(shí)溫度控制系統(tǒng)，尤其是噴頭的溫度控制系統(tǒng)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(fù)時(shí)間等參數(shù)都對打印有影響，溫度太高工作時(shí)間一長容易損壞噴頭，同時(shí)材料冷卻時(shí)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(tǒng)采用PID 算法控制溫度，但是PID 控制方法有其自身缺點(diǎn)：魯棒性差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(jī)噴頭實(shí)行溫度控制，并對PID 控制和模糊PID 控制的打印結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果顯示模糊PID 算法控制的溫度系統(tǒng)能很好的改進(jìn)PID 算法的缺點(diǎn)。

2.3 熔融式3D 打印參數(shù)的研究

熔融式3D 打印機(jī)的參數(shù)控制包括網(wǎng)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(shù)，打印的模型差別很大，在打印前需要根據(jù)不同的打印模型來調(diào)整打印參數(shù)[14]。Baich L[15]對打印ABS 材料時(shí)的填充參數(shù)選取和消耗時(shí)間進(jìn)行了研究，研究表明對于不同需求的產(chǎn)品，填充材料打印的參數(shù)設(shè)計(jì)不同，因此打印耗時(shí)也不同。Li yanxiang[16]分析了在3D 打印模型時(shí)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(xiàn)裂縫，指出讓環(huán)境溫度階梯冷卻能明顯減小熱應(yīng)力，保證打印的3D 模型更加牢固，不容易出現(xiàn)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(shí)各個(gè)打印參數(shù)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(shí)驗(yàn)研究得出對模型影響因子作用大小排序?yàn)椋簩痈撸敬蛴∷俣龋敬蛴囟取?/p>

2.4 熔融式3D 打印后期處理的研究

熔融式3D 打印機(jī)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(jìn)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(shí)，耗力，效果還不好，且容易損壞打印模型?，F(xiàn)在市場上多用超聲波發(fā)生器對支撐進(jìn)行去除。把模型放進(jìn)無毒、鼓泡的溶液中，超聲波產(chǎn)生包含真空壓力的氣泡，振動(dòng)產(chǎn)生稱為氣蝕的擦洗動(dòng)作，可以溶解樹脂支撐而不損壞部件本身。超聲波發(fā)生器處理的3D 打印模型表面雜質(zhì)少，支撐材料能夠完全去除，能符合大多數(shù)用戶的需求，但對表面光滑度有比較嚴(yán)格要求的用戶而言，超聲波發(fā)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(chǎn)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(jī)的研究

對熔融式3D 打印機(jī)整機(jī)的研究主要表現(xiàn)在擴(kuò)大打印區(qū)域和廢料回收打印等方面。孫慧超等[20]研究了一種工業(yè)雙橫梁分區(qū)域型3D 打印機(jī)，擁有2 根橫梁可以同時(shí)打印2 個(gè)區(qū)域，與傳統(tǒng)打印相比擴(kuò)大了打印范圍，且能夠同時(shí)打印2 個(gè)模型，縮短了打印時(shí)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(jī)，打印時(shí)把廢料送進(jìn)處理盒，加熱融化后進(jìn)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(fèi)。

3 熔融式3D 打印機(jī)的應(yīng)用

熔融式3D 打印技術(shù)具有發(fā)展成熟，成型速度快，生產(chǎn)周期短，成本便宜、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛地應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域[22]。

3.1 制造業(yè)領(lǐng)域

熔融式3D 打印技術(shù)在制造業(yè)中使用非常的廣泛。2011 年英國南安普敦大學(xué)Andy Keane 和Jim Scanlan 帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)花了一周時(shí)間設(shè)計(jì)制作了首臺(tái)3D 打印的飛機(jī)，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(fù)責(zé)人科迪- 威爾森發(fā)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(jī)器人技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和熱塑性材料相結(jié)合，使用安裝在機(jī)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(lǐng)域

在2011 年美國康奈爾大學(xué)就開始著手研究用3D 打印機(jī)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(jī)打印食品。同年7 月，英國?？巳卮髮W(xué)研究人員開發(fā)出世界上第一臺(tái)3D 巧克力打印機(jī)。現(xiàn)在的熔融沉積成型3D 食品打印機(jī)可以通過控制打印材料和營養(yǎng)成分，給用戶打印定制的形狀、顏色、香味、紋理和營養(yǎng)的食物[23]。

3.3 教育領(lǐng)域

熔融式3D 打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用分為兩類，一類為在中小學(xué)學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用，國內(nèi)一些大城市已經(jīng)開始引入3D 打印教學(xué)，深圳市南山區(qū)中學(xué)老師童宇陽[24]分別指出了3D 打印在中學(xué)語文學(xué)科、數(shù)學(xué)學(xué)科、英語學(xué)科、物理學(xué)科、化學(xué)學(xué)科、地理學(xué)科上的應(yīng)用案例。利用3D 打印技術(shù)開展中學(xué)教學(xué)本質(zhì)上是多媒體技術(shù)的延伸，能拓展學(xué)生的思維，增強(qiáng)對知識(shí)點(diǎn)的理解。另一類應(yīng)用是3D 打印教育創(chuàng)新應(yīng)用，包括創(chuàng)客空間、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、STEAM課程。這類教育主要針對大學(xué)生以及社會(huì)上的成年人，主要目的是使3D 打印技術(shù)在社會(huì)上推廣化，普及化，成為融入學(xué)校、家庭和社會(huì)的具有革命性影響的技術(shù)[25]。

3.4 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

熔融沉積成型3D 打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用很廣，Munteanu,Adriana 等[26]研究3D 打印在整形外科手術(shù)中的應(yīng)用，并指出與傳統(tǒng)的整形外科相比的優(yōu)越性，用3D 打印的假肢價(jià)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(jī)給病人定制打印牙齒底座，用此方法設(shè)計(jì)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(jié)論

熔融式3D 打印技術(shù)作為3D 打印技術(shù)中最基礎(chǔ)，也是普及最廣的一種3D 打印技術(shù)，它的技術(shù)研究逐步趨于成熟，也廣泛應(yīng)用于生活的各個(gè)方面，隨著新材料的不斷研發(fā)，新工藝的不斷改進(jìn)，它必將更加廣泛地應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)方面，成為改變?nèi)祟惿罘绞降囊环N技術(shù)。