熔融沉積成型
關注創建者：匿名 創建時間：2021-11-18
熔融沉積成型的實例教程
噴墨打印成型設備簡單，成本低，操作簡易，非常適用于制備微納米器件和電子電路。
噴墨打印成型實例
熔融沉積成型(FDM)
熔融沉積成型主要適用于熱塑性聚合物的3D打印，是目前最常用的一種3D打印方式。該方法需要將聚合物制備成標準直徑的線材，而后通過步進電機將線材輸送至噴頭處，加熱熔融擠出，在基板上根據所需形狀層層堆疊粘連，冷卻固化后得到所需成型件。
熔融沉積成型實例
將通過熔融混合、溶液混合等方式制得的石墨烯/聚合物基復合材料通過擠出機等設備制成3D打印線材，即可進行石墨烯/聚合物基復合材料的熔融沉積成型。
石墨烯的加入不僅可以增強3D打印制件的力學性能，還可以賦予制件優異的電學、熱學以及摩擦磨損性能等。熔融沉積成型可打印材料廣泛，設備成本低，操作簡便，打印速度快，并且可以用多噴頭同時打印不同種類的材料，因此是最具有工業應用前景的打印方式之一，制備的部件具有用于機械、汽車、航空航天等領域的潛力。
展開 增材制造技術，俗稱3D打印技術，是融合了計算機輔助設計、材料加工與成型技術，以數字模型文件為基礎，通過軟件與數控系統將專用的材料按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。3D打印技術不同于傳統的、對原材料去除、切削、組裝的加工模式，是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法，從無到有。這使得過去受到傳統制造方式的約束，而無法實現的復雜結構件制造變為可能。常用于制備金屬材料的增材制造技術有粉床熔融技術，直接能量沉積，熔融沉積成型，分層實體制造，直寫成型技術，粘合劑噴射等等。
圖1. 各種金屬增材制造技術示意圖：(a) 粉床熔融技術，(b) 直接能量沉積，(c) 熔融沉積成型，(d) 分層實體制造，(e) 直寫成型技術，(f) 粘合劑噴射。
在過去，盡管可以設計出許多具有潛在優異性能的復雜晶格結構，但它們的制造仍然受到傳統方法的限制。 幸運的是，由于先進的制造能力，增材制造技術的發展反過來促進了更復雜結構的設計，設計目標也從原來的可制造性轉變為功能性。 從結構設計的角度看，晶格結構是在一定的空間中重復出現的單元胞集合。 因此，在晶格結構的設計中，既要考慮單元胞設計，也要考慮整體圖案設計。在此基礎上，再進行拓撲優化，這樣方能得到具有優異性能的晶格結構。對于單元胞的設計，主要包括桿基，殼基，三重曲面三種單元胞。
圖2. 粉床熔融技術制備的桿基金屬晶格結構及其單元胞原型：(a) 立方體結構，(b) 優化結構，(c) 菱形十二面體結構。
總的來說，金屬晶格結構的性能主要由單元胞的構型，孔隙率，使用的材料種類以及不同的增材制造技術決定的。設計和制造出具有不同性能的金屬晶格結構可以在不同的工業領域發揮作用。
展開 Fraunhofer 認為，在所有3D打印技術（例如，熔融沉積成型、粘結劑噴射或立體光固化）中，選區激光燒結工藝（SLS）是聚合物個性化植入物制造中最有前景的技術。與需要特殊光聚合物樹脂的立體光固化技術不同，激光燒結可以加工標準材料。與熔融沉積成型和粘結劑噴射技術相比，選區激光燒結通常可以實現更高的精度和強度。
通過選區激光燒結制造個性化植入物，需要三個必要的先決條件：正確的粉末材料，正確的設備和正確的工藝。
選區激光燒結示意圖，圖片來源：Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT
選區激光燒結需要的粉末材料優選粒徑小于100μm的材料。生產聚合物粉末材料通常比較復雜，這是由于大多數聚合物具有高抗沖擊性和或高延展性，機械研磨通常都會失敗，<100μm的粉末材料尚存在產率不足或顆粒具有減少粉末流動性的尖銳邊緣的問題。
Fraunhofer 研究團隊使用的一種粉末生產方法是溶劑蒸發。然而，可生物降解的聚合物，如聚丙交酯（PLA），僅可溶于氯仿或二氯甲烷等有毒有機溶劑。這些有毒溶劑是嚴重危害健康的，這對于該材料的醫學應用以及粉末生產的升級造成不良影響。為了避免這些問題，Fraunhofer 采用基于良好生產規范標準的無溶劑方法處理Schaefer Kalk生產的粉末。使用該方法可以生產多種不同的聚合物/填料組合，包括由PLA和沉淀碳酸鈣（PCC）制成的新復合材料。
可生物降解的聚丙交酯/碳酸鈣復合材料粉末，專門用于選區激光燒結。圖片來源：Schaefer Kalk GmbH＆Co。
專門設計的PCC顆粒是骨形成所需的Ca2 +離子的來源。此外，PCC顆粒能夠通過緩沖在植入物再吸收期間可能出現的聚丙交酯酸性降解產物，來改善復合材料的降解行為。
展開 我們都知道，工程塑料在FDM（熔融沉積成型）打印中，通常會采用分層堆疊的打印方式，那每一層之間必然會存在一定的銜接痕跡。
正因如此，在XY軸方向上遇到弧面或小角度平面時，其層紋會變得異常明顯。從 JLC3D 小編實際打印的圓弧形模型（PLA材料）中可以清晰地看到，模型表面呈現出明顯的階梯狀紋理，層紋之間的跨度較大，看起來反而不精細了。
尤其是當模型表面弧面較多時，更容易導致表面打印的粗糙甚至直接損壞，如下圖，這樣一來，就會降低模型的精度與美觀度。
所以說，工程塑料并不適合打印圓形結構或復雜曲面模型，JLC3D小編建議大家選擇尼龍或樹脂材料，這兩種材料在打印弧面時表現更佳，能有效減少層紋，提升表面光滑度。
展開 目前，陶瓷3D打印的技術主要有，激光掃描固化成型技術（SLA）、數字光處理技術（DLP），粘結劑噴射技術（3DP）、FDM熔融沉積技術。陶瓷作為一種傳統的無機材料，已經有上千年的歷史。但是對于3D打印領域來說，卻是一個新興的材料。由于陶瓷材料本身的脆性，所以在3D打印領域一直鮮有人涉足。
還有一種陶瓷制造技術叫做Robocasting，通過擠出陶瓷漿料來3D打印陶瓷制品。不過陶瓷漿料粘度隨著擠出過程的剪切而下降。一旦糊料被擠出，材料上的剪切應力就會降低，粘度會升高，使擠出物返回到稠厚的糊狀稠度。雖然機器人可以產生中空蜂窩等幾何構造，但是3D打印陶瓷制品的分辨率是粗糙的，難以獲得高密度的陶瓷。
更強更致密
根據3D科學谷的市場研究，美國的大型國防合約商雷神公司（Raytheon Company）正在探索通過FDM熔融沉積技術來實現陶瓷產品的3D打印。
在長寬比為至少2：1的陶瓷中使用添加劑以制成長絲，然后通過FDM技術進行3D打印使得陶瓷產品具有紋理化的微結構和表面，并可以增強自然界中不存在的物理和化學性質。
根據3D科學谷的了解，這種方法可以合成具有自然界中不存在的新型材料，通過利用陶瓷的各向異性特性，這種方法可以獲得單晶材料。此外，還可以通過纖維增強來實現增強的微結構。這其中，添加劑可包括任何結晶材料，合成材料或聚合物材料。合適的添加劑包括白榴石，二硅酸鋰，氮化硅，玻璃（例如二氧化硅）或其任何組合。
此外，還可以通過HIP熱等靜壓過程來進一步減少或消除可能殘留的任何殘余孔隙。HIP過程降低了孔隙率并增加了陶瓷材料的密度，此外，HIP過程還可以改善陶瓷產品的機械性能。
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我們都知道，工程塑料在FDM（熔融沉積成型）打印中，通常會采用分層堆疊的打印方式，那每一層之間必然會存在一定的銜接痕跡。
正因如此，在XY軸方向上遇到弧面或小角度平面時，其層紋會變得異常明顯。從 JLC3D 小編實際打印的圓弧形模型（PLA材料）中可以清晰地看到，模型表面呈現出明顯的階梯狀紋理，層紋之間的跨度較大，看起來反而不精細了。
至今已有熔融沉積成型（FDM）、光固化成型（SLA）、三維粉末粘接（3DP）、選擇性激光燒結（SLS）和無模鑄型制造技術（PCM）等3D打印機工藝。而Stratasys公司創始人Crump研發FDM工藝的3D打印機憑借著維護成本低，構造原理較為簡單和使用便利等特點被大范圍應用[3,4,5]。
熔融沉積成型（FDM）3D打印技術作為一種易于接近的增材制造技術，在當今的制造趨勢中占據了核心地位，從快速原型制作到創造性表達甚至建造交互式設備。利用自動和半自動定制設計控制，3D打印還可以作為增強工藝工具來實現復雜的美學，降低工藝水平的門檻，這為制作物品的廣泛可能性賦予了力量。
Raise3D 的Pro2系列是一款基于FDM/FFF 3D打印技術的3D打印機，FDM/FFF 熔融沉積成型，和傳統的注塑成型工藝接近，是一種將各種熱塑性的材料（PLA、ABS或尼龍等材料）加熱熔化，再逐層堆積的制作技術，這種技術的特點在于可以，一機多用，同時兼容多種熔點在300℃以內的材料。
此外，工業級顆粒料熔融擠出成型、樹脂及陶瓷漿料的光固化成型、金屬激光熔融沉積成型、等離子束 / 電弧熔絲成型、大幅面激光選區熔化成型、增減材混合制造等裝備實現了穩定的工業級應用；金屬黏合劑噴射3D打印技術能夠改善自身結構力學性能的不足，有望走向低成本、批量化應用。
醫療器械制造中的3D打印技術
塑料部件最常用的3D打印技術是立體光刻 (SLA)、選擇性激光燒結 (SLS) 和熔融沉積成型 (FDM)。如果設備是使用金屬制造的，則可以使用直接金屬激光燒結 (DMLS) 或激光熔化 (SLM) 方法。SLA 技術適用于具有嚴格公差和光滑表面的原型，如牙科和醫療最終用途零件，而 SLS 是修復體等復雜幾何形狀的最佳選擇。
在歐美、日韓等主要的消費級3D打印機市場，普通個人消費者大多購買和使用FDM（熔融沉積成型）技術的3D打印機，是一種將熱熔性的絲狀材料（比如PLA，ABS，尼龍等）加熱融化成型的方法。
這類打印機具有打印成本低，技術較為成熟的特點，成為家用3D打印方案的首選。
但也是因為它的成本控制等方面限制，這類打印機普遍缺乏強有力的軟件支持，并且還有打印失敗率較高等問題。
從技術原理上來看，凝膠點膠打印技術（GDP）與熔融沉積成型（
FDM
）技術有很大的不同，所使用的材料為凝膠材料，無需進行加熱融化，通過點膠器擠出并使用紫外光進行固化。因此其打印速度極快，幾乎不需要填充與支撐，并且能夠打印大尺寸的工件。
基于這樣獨創的技術，在打印有一定傾角的結構時也無需打印支撐，比如倒立打印圓錐封頂結構。
常用于制備金屬材料的增材制造技術有粉床熔融技術，直接能量沉積，熔融沉積成型，分層實體制造，直寫成型技術，粘合劑噴射等等。
圖1. 各種金屬增材制造技術示意圖：(a) 粉床熔融技術，(b) 直接能量沉積，(c) 熔融沉積成型，(d) 分層實體制造，(e) 直寫成型技術，(f) 粘合劑噴射。
與熔融沉積成型(FDM) 相比，SLA打印機可以打印更精細的細節，并且成品沒有FDM產品那種特征沉積線。但是，SLA有一些缺點。當前光固化3D打印技術速度提升的主要限制因素是熱量。光反應聚合是一個高度放熱的過程，打印機在高速運行時會產生大量熱量，這不僅會導致危險的高溫表面溫度，還會導致打印零件的破裂和變形。速度越快，打印機產生的熱量就越大。
