熔融式3D打印的研究现状及发展应用

2020-08-12辛增念

科学技术创新 2020年21期

辛增念

（江西科技学院协同创新中心，江西南昌330098）

3D 打印技术起源于20 世纪80 年代，2012 年美国总统奥巴马把3D 打印技术列入国家制造业的创新中心之一，并拨款成立了国家级3D 打印工业研究中心[1]。自此，全球范围内掀起了一场关于3D 打印的技术热潮，2012 年英国杂志《经济学人》称3D 打印引来了第三次工业革命[2]。熔融沉积成型3D 打印技术属于3D 打印技术中的一种，它成本便宜、使用方便，是目前普及最为广泛的一种3D 打印技术，本文主要研究熔融沉积成型3D 打印机的关键技术研究现状，以及它的发展和应用领域。

1 熔融式3D 打印技术的介绍

3D 打印是一种增材制造，通过在平面上不断的累加材料成型。传统的制造业采用的是等材制造和减材制造，通过铸造、焊接、机床以及切削加工来完成材料的加工[3]。与传统的等材制造和减材制造相比，3D 打印节省了材料，并简化了复杂的加工工艺。3D 打印技术发展至今，根据打印材料和原理的不同，主要包括了6 种打印技术，分别是：光固化成型技术(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering,SLS)、分层实体制造技术(Laminated Object Manufacturing,LOM)、叠层实体制造技术(Laminated object manufacturing,LOM)、三维喷涂粘结技术(There dimensional printing and gluing,3DPG)和熔融式沉积成型技术(Fused Deposition Modeling,FDM)。

熔融式3D 打印是通过加热融化材料来实现3D 打印的，常用的打印材料主要为便于熔融的低熔点材料，有蜡丝、丙烯晴-丁二烯(ABS)、聚乳酸（PLA）、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯树脂、聚酰胺丝等热塑性材料[4-5]，不同的材料熔点不同，加热温度也不同。打印时根据不同材料来调整加热温度。

2 熔融式3D 打印机关键技术的研究

熔融式3D 打印机在打印前，把熔融型的打印材料做成细丝状，并把需要打印的物品用三维软件或扫描仪生成三维图形存储在打印机内存中。打印时3D 打印机把储存的立体图形分切成多个平面，打印机接收到平面数据后，通过电机把细丝状的打印材料送到加热喷腔内，根据不同的打印材料设置不同的喷腔温度，把材料融化后铺在打印机底板上，打印完一层后，底板下移一层，喷嘴继续把融化的材料往上铺完成另一层的打印，这样层层叠加，直至打印完成。打印完成后去除支撑材料，即可得到所需的产品。图1 为熔融沉积成型（FDM）打印机原理图。

图1 FDM 打印机原理图

2.1 熔融式3D 打印喷头的研究

熔融式3D 打印机的打印喷头是用来融化打印材料并把材料平铺在打印底板上，是打印机的关键部分，它直接影响打印精度。同时，打印喷头也是经常出故障的零件，FDM打印机故障大多数情况下都是因为喷头故障引起。目前FDM打印机存在的打印喷头有柱塞式喷头[6]和螺杆式喷头[7]，柱塞式喷头靠电机带动两边的齿轮啮合进行送料，螺杆式喷头通过电机带动喷头旋转进行送料。柱塞式喷头在打印时由于受热不均温，当齿轮啮合送料稍有滞后，打印材料就容易堵塞在喷头底部造成打印机故障。

为了解决柱塞式喷头的喷头堵塞问题。彭勇刚[8]等人提出了一种多段温度控制的喷头，他们对喷头各个不同部分分别实行温度控制，使得喷头内部过渡段、熔融段和挤出段温度依次升高，从而有效的避免了传统喷头由于温度一致而导致的喷头堵塞、断丝等现象，提高了打印效率，减低了打印机的维修。

为了改善打印模型表面光洁度，肖建华等[9]提供了一种气体辅助挤出喷头的3D 打印机。通过在喷头旁边开通一个进气口，使得挤出的细丝直径保持不变，提高了材料的挤出速率，且挤出的细丝表面光滑洁净。

为了能在同一模型上打印多种色彩，陈松茂等[10]提供了一种基于混色与染色原理的FDM型3D 打印喷头及方法，通过外界混色器提供染料，经由染色环对原材料进行染色，实现模型全彩3D 打印。程凯[11]研制的多材料多尺度的3D 打印喷头可以混合多种材料，能打印材料性质变化的模型，如渐变色模型打印和变刚度模型打印。

2.2 熔融式3D 打印温度控制系统的研究

熔融式3D 打印机的温度控制系统主要是加热喷头的温度控制系统和底板的温度控制系统。打印不同熔点的材料设置不同的温度，打印时，喷头和底板的温度需要保持在一定范围，才能确保把打印材料融化，并保证材料能冷却凝固并粘在底板上。因此打印时温度控制系统，尤其是喷头的温度控制系统非常重要，喷头用来融化打印材料，温度的高低以及温度恢复时间等参数都对打印有影响，温度太高工作时间一长容易损坏喷头，同时材料冷却时间也变长，影响打印精度。温度低了则不能融化材料，引起喷头堵塞。目前比较流行的RepRap 开源系统采用PID 算法控制温度，但是PID 控制方法有其自身缺点：鲁棒性差、动态响应速度慢，控制性能难以得到可靠保证。王柏通[12]和李轩[13]用模糊PID 算法分别对用ABS 和PLA 材料的熔融型打印机喷头实行温度控制，并对PID 控制和模糊PID 控制的打印结果进行了对比，结果显示模糊PID 算法控制的温度系统能很好的改进PID 算法的缺点。

2.3 熔融式3D 打印参数的研究

熔融式3D 打印机的参数控制包括网格密度控制，打印材料流量控制，冷却性能，打印速度控制等，使用不同的打印参数，打印的模型差别很大，在打印前需要根据不同的打印模型来调整打印参数[14]。Baich L[15]对打印ABS 材料时的填充参数选取和消耗时间进行了研究，研究表明对于不同需求的产品，填充材料打印的参数设计不同，因此打印耗时也不同。Li yanxiang[16]分析了在3D 打印模型时后，冷却温度对模型的影响，分析了为何3D 打印模型越大越容易出现裂缝，指出让环境温度阶梯冷却能明显减小热应力，保证打印的3D 模型更加牢固，不容易出现裂纹。在打印精度的研究上，金安育等[17]提供了一种使3D打印喷头按照曲线填充路径成形曲面薄片，从而提高3D 打印制件的曲面精度的曲面填充路径轨迹生成法。

打印时各个打印参数对打印模型的精度影响也是不一样的，韩江[18]通过改变层高，打印温度、打印温度等多次正交实验研究得出对模型影响因子作用大小排序为：层高＞打印速度＞打印温度。

2.4 熔融式3D 打印后期处理的研究

熔融式3D 打印机打印好的模型包含支撑材料，且表面比较粗糙，因此在模型打印好后需要进行去除支撑以及表面光滑等后期处理。对要求不高的打印模型，可以借助老虎钳等工具手工去除支撑材料，但是手工去除支撑材料耗时，耗力，效果还不好，且容易损坏打印模型。现在市场上多用超声波发生器对支撑进行去除。把模型放进无毒、鼓泡的溶液中，超声波产生包含真空压力的气泡，振动产生称为气蚀的擦洗动作，可以溶解树脂支撑而不损坏部件本身。超声波发生器处理的3D 打印模型表面杂质少，支撑材料能够完全去除，能符合大多数用户的需求，但对表面光滑度有比较严格要求的用户而言，超声波发生器处理的模型表面光滑不够，无法满足其需求。Haidiezul A等[19]对模型表面涂上smooth-on 公司生产的XTC-3D 后，每层间间隙变小，表面光滑度及性能都得到了极大的改善。

2.5 熔融式3D 打印整机的研究

对熔融式3D 打印机整机的研究主要表现在扩大打印区域和废料回收打印等方面。孙慧超等[20]研究了一种工业双横梁分区域型3D 打印机，拥有2 根横梁可以同时打印2 个区域，与传统打印相比扩大了打印范围，且能够同时打印2 个模型，缩短了打印时间，提高了打印效率；曹文意等[21]提供了一种废料再利用的熔融沉积成型3D 打印机，打印时把废料送进处理盒，加热融化后进入送丝管，用以打印3D 模型，对废料的再利用减小了材料的浪费。

3 熔融式3D 打印机的应用

熔融式3D 打印技术具有发展成熟，成型速度快，生产周期短，成本便宜、使用方便等优点，因此广泛地应用于社会的各个领域[22]。

3.1 制造业领域

熔融式3D 打印技术在制造业中使用非常的广泛。2011 年英国南安普敦大学Andy Keane 和Jim Scanlan 带领团队花了一周时间设计制作了首台3D 打印的飞机，并试飞成功；同年，Kor Ecologic 推出全球第一辆3D 打印的汽车Urbee，汽车所有的外部零部件都是由3D 打印而成；2013 年，美国分布式防御组织负责人科迪- 威尔森发布全世界第一款完全通过3D 打印制造出的塑料手枪；2018 年AREVO 公司采用3D 打印碳钎维框架的自行车，Arevo 将3D 打印与机器人技术、机器学习和热塑性材料相结合，使用安装在机械臂上的打印头打印出自行车车架的三维形状。

3.2 食品加工领域

在2011 年美国康奈尔大学就开始着手研究用3D 打印机打印食物，紧接着NASA 开始研究让宇航员在太空中利用3D 打印机打印食品。同年7 月，英国埃克塞特大学研究人员开发出世界上第一台3D 巧克力打印机。现在的熔融沉积成型3D 食品打印机可以通过控制打印材料和营养成分，给用户打印定制的形状、颜色、香味、纹理和营养的食物[23]。

3.3 教育领域

熔融式3D 打印在教育领域的应用分为两类，一类为在中小学学科教学中的应用，国内一些大城市已经开始引入3D 打印教学，深圳市南山区中学老师童宇阳[24]分别指出了3D 打印在中学语文学科、数学学科、英语学科、物理学科、化学学科、地理学科上的应用案例。利用3D 打印技术开展中学教学本质上是多媒体技术的延伸，能拓展学生的思维，增强对知识点的理解。另一类应用是3D 打印教育创新应用，包括创客空间、创新实验室、STEAM课程。这类教育主要针对大学生以及社会上的成年人，主要目的是使3D 打印技术在社会上推广化，普及化，成为融入学校、家庭和社会的具有革命性影响的技术[25]。

3.4 医学领域

熔融沉积成型3D 打印技术在医学领域应用很广，Munteanu,Adriana 等[26]研究3D 打印在整形外科手术中的应用，并指出与传统的整形外科相比的优越性，用3D 打印的假肢价格便宜，还可以打印不同颜色来吸引儿童患者。chen Hu 等[27]用熔融型3D打印机给病人定制打印牙齿底座，用此方法设计打印的牙齿底座比手工制作的牙齿底座有更高的精确度。