熔融沉积成型3D打印技术应用进展及展望

工程塑料应用ENGINEERINGPLASTICSAPPLICATION第45卷，第3期2017年3月Vol.45，No.3Mar.2017130doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2017.03.029熔融沉积成型3D打印技术应用进展及展望*刘洋子健1，夏春蕾2，张均1，姜志国1(1.北京化工大学，北京100029；2.北京市市政工程研究院，北京100037)摘要：介绍熔融沉积制造(FDM)3D打印技术的产生和特点。着重介绍了FDM3D打印技术在汽车工业、航空航天、医疗卫生、教育教学、食品加工等领域的实际应用情况。并对FDM3D打印技术的应用前景进行展望。关键词：3D打印；熔融沉积制造；应用；展望中图分类号：TP751文献标识码：A文章编号：1001-3539(2017)03-0130-04ApplicationProgressandProspectofFusedDepositionMolding3D–PrintingLiuYangzijian¹，XiaChunlei²，ZhangJun¹，JiangZhiguo¹(1.BeijingUniversityofChemicalTechnology，Beijing100029，China；2.BeijingMunicipalEngineeringResearchInstitute，Beijing100037，China)Abstract：Thecharacteristicsandgenerationoffuseddepositionmolding(FDM)3D-printingtechnologywerebrieflyintroduced.TheapplicationsofFDM3D-printingtechnologyinautomotive，aerospace，healthcare，education，foodprocessingandotherareaswereemphaticallyintroduced.Finally，theprospectofFDM3D-printingtechnologywassummarized.Keywords：3D-printing；fuseddepositionmodeling；application；prospect熔融沉积成型(FDM)3D打印技术由ScottCrump于1988年发明，其是将丝状的热塑性材料从加热的喷头挤出，按照预定的轨迹和速率进行熔体逐层沉积，从而实现立体成型[1]。由于具有打印机结构简单、操作方便、成型速度快、材料种类丰富且成本低等诸多优点，FDM3D打印技术已经越来越多地应用于各个领域，是目前应用领域广、成熟度高、应用价值大和前景广阔的3D打印技术。笔者详细介绍了FDM3D打印技术在汽车工业、航空航天、工业设计、医疗卫生、教育教学等领域的应用现状，并且列举了典型的应用案例，同时对FDM3D打印技术的应用前景进行展望。1　打印技术的应用现状1．1　汽车工业随着汽车工业的快速发展，人们对汽车轻量化、缩短设计周期、节约制造成本等方面提出了更高的要求，而3D打印技术的出现为满足这些需求提供了可能。2013年3月1日，世界首款3D打印汽车Urbee2面世，彻底打开了3D打印技术在汽车制造领域应用的大门。在汽车生产过程中，大量使用热塑性高分子材料制造装饰部件和部分结构部件。与传统加工方法相比，FDM3D打印技术可以大大缩短这些部件的制造时间，在制造结构复杂部件方面更是将优势展现得淋漓尽致，图1为FDM3D打印汽车空调外壳；同时，FDM3D打印技术能够一次成型，可以省去大部分传统连接部件，图2为FDM3D打印组合仪表盘结构原件，并且所用材料为热塑性工程塑料，密度较低，能够明显减轻车辆的整体质量[2]。图1　FDM3D打印汽车空调外壳图2　FDM3D打印组合仪表盘结构原件除图1、图2示出的采用FDM3D打印部件外，FDM3D打印技术在汽车零部件生产中的应用还包括后视镜、仪表盘、出口管、卡车挡泥板、车身格栅、门把手、光亮饰、换挡手柄模具型芯、冷却水道等等。其中，冷却水道采用传统的*中央业务费支持项目(BUCTRC201531)联系人：姜志国，博士，副教授，从事聚氨酯基功能高分子材料研究与应用开发，研究领域涉及隔热、导热、阻燃、导电、阻尼、减震、隔音静噪、透光和极限环境适用材料收稿日期：2016-12-14131刘洋子健，等：熔融沉积成型3D打印技术应用进展及展望制造方法几乎无法实现，而采用FDM3D打印技术制造的冷却系统，冷却速度快，部件质量明显提高。此外，FDM3D打印技术还可以进行多材料一体制造，如轮毂和轮胎一体成型，轮毂部分采用丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)硬质材料，轮胎部分采用橡胶材料一体打印成型[3]。目前，在汽车零件制造方面，已经有百余种零件能够采用FDM3D打印技术进行大规模生产，而且可制造零件种类和制造速度这两个关键数值仍在继续上升。在赛车等特殊用途汽车制造方面，个性化设计以及车体和部件结构的快速更新的需求也将进一步推进FDM3D打印技术在汽车制造领域的发展和应用[4]。1．2　航空航天随着人类对天空以及地球外空间的逐步探索，进一步减轻飞行器的质量就成为设备改进与研发的重中之重。采用FDM3D打印技术制造的零件由于所使用的热塑性工程塑料密度较低，与使用其它材料的传统加工方法相比，所制得的零件质量更轻，符合飞行器改进与研发的需求[5–6]。在飞机制造方面，波音公司和空客公司已经应用FDM3D打印技术制造零部件。例如，波音公司应用FDM3D打印技术制造了包括冷空气导管在内的300种不同的飞机零部件；空客公司应用FDM3D打印技术制造了A380客舱使用的行李架[7]。在航天领域，所需设备和部件均需从地面运输至太空，一方面限制了其尺寸，另一方面运输过程中的苛刻环境也会对其使用性能产生不良影响。因此，如果能在太空中直接采用FDM3D打印技术制造所需设备或部件，在降低成本和保证性能方面都具有极大的优势。2014年11月24日，利用FDM3D打印技术，国际空间站的航天员们制造出了第一把“太空扳手”[8]。这把太空扳手仅仅是FDM3D打印技术在航天领域应用的案例之一，随着相关技术的进步，更多舱内设备的打印制造，甚至是舱外大尺寸结构部件的打印制造都有可能成为现实。无论是在天空还是在太空，无论是飞行器零件还是太空工具，FDM3D打印技术都以其独有的制造优势已经取得实际应用。而且，由于FDM3D打印技术使用的材料为热塑性工程塑料，有望在太空中实现“制品打印–材料回收–材料再次打印利用”这一循环过程，实现太空中废弃材料的回收再利用。1．3　医疗卫生在医疗行业中，患者一般在身体结构、组织器官等方面存在一定差异，医生需要采用不同的治疗方法、使用不同的药物和设备才能达到最佳的治疗效果，而这导致治疗过程中往往不能使用传统的量产化产品。FDM3D打印技术个性化制造这一特点则符合了医疗卫生领域的要求[9]。目前FDM3D打印技术在医疗卫生领域的应用以人体模型制造和人造骨移植材料为主[10]。某些精密手术想要取得预期的治疗效果，就必须采取最佳的手术方式，但通常情况下不允许医生通过多次实践得出结论，给手术带来一定的难度和风险。FDM3D打印技术可以和CT、核磁共振等扫描方法相结合[11]，在手术前通过精确打印所需治疗部位的器官模型，大大提高一些高难度手术的成功几率，增强手术治疗效果[12]。精确打印器官等人体模型的作用并不只局限于提高手术效果。在当今供体越发稀少且潜在供体不匹配等情况下，通过FDM3D打印技术制造的外植体为解决这一紧急问题提供了一种全新的方法[13]。例如，2013年3月，美国OPM公司打印出聚醚醚酮(PEEK)材料的骨移植物，并首次成功地替换了一名患者病损的骨组织[14–15]；荷兰乌特勒支药学研究所利用羟甲基乙交酯(HMG)与ε–CL的共聚物(PHMGCL)，通过纤维熔体沉积技术得到3D组织工程支架其宏观图如图3所示，而新加坡南洋理工大学仅用聚ε-己内酯(PCL)也制造出可降解3D组织工程支架[16]。图3　3D打印支架植入前宏观图1．4　教育教学在课堂上，教具与模型可以让学生更清楚地理解一些抽象的理论原理，对于提升教学效果具有显著的作用。不同学科所需教具种类繁多，且随着课本内容的改进，教具的形式也在不断变化，通过传统成型技术生产更新换代较快的教具成本较高，而能够做到快速个性化生产的FDM3D打印技术，能够使得这些问题迎刃而解[17–18]。目前FDM3D打印技术更多的是作为教学环境，英国21个试点学校、美国的北卡罗来纳州立大学以及我国上海市静安区多所学校中，FDM3D打印技术已经在具体课堂上体现了其作为教学环境的价值和作用。并且，美国许多学校则正在推广的TI公司的“3D投影机领航项目”[19]，也将进一步推动FMD3D打印技术融入教学环境。此外，一些国家和组织正在探索3D打印应用于STEM课程(指科学、技术、工程、数学课程总称)，以推动技术驱动的教学创新，使得工程塑料应用2017年，第45卷，第3期132技术工程教育和艺术人文教育融合成为学校文化的一部分[20–21]，而这无疑有助于FDM3D打印技术更好地融入到教学环境中。在目前教学环境中，FDM3D打印技术主要用于制作立体教具、辅助学生进行创新设计、强化互动和协作学习。随着3D打印热的持续升温和打印技术的继续发展，FDM3D打印技术极有可能作为一项独立的科目跻身于教学内容中去，包括如何设计图纸、如何建模和使用3D打印机实现打印成型。1．5　食品加工与使用其它热塑性材料相似，FDM3D打印技术可以使用巧克力、糖浆等能够加热融化、冷却凝固的食材进行加工，在无需使用模具的条件下制出形状奇特的食用产品，使得产品在外观上更加诱人。因此，许多公司都在努力尝试将FDM3D打印技术应用于食品制造行业。例如：3DSystem在CES2014展出的Chefjet和ChefjetPro两款3D打印机；巴塞罗那NaturalMachines公司推出的一款消费级的Foodini3D食品打印机[22]。除了传统打印食材，FDM3D打印技术可以利用从人类目前不食用的物质中提取出需要的营养成分，加工成食品[23]。例如，食用昆虫对于大部分人来讲是件不太容易接受的事情，英国科学家们经过欧盟和世界粮食组织同意，开发了一种可以把食用昆虫转换成面粉方法，再通过FDM3D打印技术将食物打印出来，这个项目被称为“昆虫焗”[24]。目前，FDM3D打印技术主要还是用于制作具有奇特外形的食物，这主要是由于大部分食材不能直接用于FDM3D打印。如果通过提取食材内部本身具有的营养物质并制成线材的形状，实现熔融挤出，FDM3D打印技术在食品加工中的应用将会更加广泛。随着可打印食材的丰富，通过调节打印食材的配比，可以加工出更加符合人类营养需求的食物，并且如果应用在航天领域，可以进一步丰富宇航员的食谱[25]。1．6　其它除了上述所介绍的6个应用领域，FDM3D打印技术在其它领域中同样具有实用价值，也有许多应用案例。譬如：在建筑领域，FDM3D打印技术能够制作出符合设计需求的建筑物模型，从而验证楼宇结构设计是否符合要求[26]；在机器人制造领域，FDM3D打印技术能够一次成型连接件，从而将舵机连接在一起，完成双足机器人的组装[27]；在模具制造领域，由于FDM3D打印技术具有诸多优点，对于生产内部结构复杂的模具具有无与伦比的速度优势[28–29]。2　打印技术前景展望FDM3D打印技术已经在诸如汽车制造、航空航天、医药卫生和教育教学等多个领域内取得了非常好的实际运用效果。综合来看，个性化生产是FDM3D打印技术区别于传统成型技术最为突出的特点，也是以上所有行业最终选择FDM3D打印技术的最重要的原因之一。而相较于其它3D打印方法，FDM具有原理简单，打印机结构简洁，作为打印材料的热塑性工程塑料相比于激光烧结(SLS)和激光固化光敏树脂成型(SLA)所使用的粉状原料更易使用及储存，这些都是FDM