熔融沉积成型

定义

熔融沉积成型是一种把丝状热熔性材料加热到熔融或半流动状态,由喷嘴按数字模型的分层路径挤出、涂敷在工作台上,冷却固化后逐层叠加成三维实体的成型方法,属于增材制造中的材料挤出类工艺。常见原料包括聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯等热塑性聚合物,也可以混入短纤维、连续纤维或纳米填料制成复合丝材^[2]。

“FDM”这一名称由美国 Stratasys 公司注册为商标,其他厂商与开源社区多用熔丝制造(Fused Filament Fabrication,FFF)指称同一类工艺,二者在原理上并无区别。

原理

工艺链条通常由三维建模、切片、挤出打印和后处理四个环节组成:设计者先用计算机辅助设计软件建立实体模型,切片软件把模型切成一系列薄层并生成喷头运动路径与挤出量指令,打印机据此逐层制造^[3]。喷头在控制系统驱动下沿当前层的截面轮廓和内部填充轨迹移动,材料在加热腔内达到略高于熔点的温度后由细径喷嘴挤出,随即与已沉积的相邻丝材及下层熔接。

一层完成后,工作台或喷头沿竖直方向下移一个分层厚度,再沉积下一层,如此往复直至零件完成;多数设备同时使用成型材料与支撑材料,前者构成零件本体,后者在悬空部位充当临时支架,打印结束后需剥离或用溶剂去除。层厚、喷嘴温度、热床温度、填充率与打印速度等参数共同决定丝材之间的粘结质量和最终精度,其中层厚对拉伸强度的影响较为明显^[4]。

发展历程

1988 年,美国人斯科特·克伦普研制出熔融沉积成型工艺,并于次年提交专利申请;1992 年,他参与创办的 Stratasys 公司推出了基于该技术的商业机型^[1]。在核心专利有效期内,这类设备主要由该公司提供,价格较高,应用集中在工业原型制造^[5]。

2004 年,英国巴斯大学的阿德里安·鲍耶(Adrian Bowyer)发起开源项目 RepRap,目标是造出能够复制自身零件的低价 3D 打印机;2008 年该项目展示了可打印自身塑料件的样机^[6]。2009 年 Stratasys 的 FDM 核心专利到期,基于开源方案的个人 3D 打印机随后进入商业化阶段,设备价格从上千美元降至数百美元量级^[1]。此后该工艺成为桌面级设备的主流技术路线,并持续向纤维增强、多材料共挤等方向发展^[7]。

应用

熔融沉积成型广泛用于产品设计阶段的原型制作和功能测试,在汽车、航空航天、船舶和生物医疗等领域均有采用^[8]。由于设备操作简单、材料选择多样,它也是学校工程教育和创客实践中常见的成型手段。

在医疗与生物工程方向,该工艺被用来制备骨组织工程支架等具有复杂孔隙结构的多孔构件,打印件在微计算机断层扫描下与设计模型偏差较小。食品加工、制药和纺织领域也有相关探索,例如以可食用浆料或聚合物基复合丝材成形特定结构^[9]。连续纤维增强复合材料的 FDM 打印是近年研究重点,纤维的浸渍状态与路径规划会影响样件的力学性能^[10]。

局限

逐层沉积的方式使制件表面出现台阶效应和波纹,侧视时轮廓不平整较为明显,这类缺陷源于每层材料的离散堆积。桌面级设备受出料控制和温度波动影响,层厚精度通常有限,难以满足高精度快速成型的要求。

层间结合强度通常低于材料本体,制件在受载时可能沿层间界面剥离,力学性能表现出方向性差异,打印方向与加载方向的关系会影响强度^[11]。悬垂和陡峭曲面缺少下层支撑时需额外添加支撑材料,既延长打印时间,也可能损伤支撑接触面的表面质量^[12]。此外,冷却收缩会引起翘曲与尺寸偏差,通常需要借助加热腔体、参数优化或热处理等后处理手段改善^[4]。

参见

• 增材制造 —— 熔融沉积成型所属的制造技术大类。

• 3D打印 —— 以逐层堆积方式制造实体零件的通称。

• 热塑性塑料 —— 该工艺最主要的成型材料类别。

• 切片软件 —— 把三维模型转换为打印路径的必备工具。

• Stratasys —— 将该工艺商业化并注册商标的企业。

• RepRap —— 推动该工艺低成本普及的开源打印机项目。