熔融沉積成型的3D打印專利技術綜述

郭紫琪，李曉文，張 瑾，張珍珍

(國家知識產權局專利局專利審查協作四川中心，四川 成都 610041)

3D打印成型技術又稱為快速成型技術，它是將數字模型文件數據信息轉化為三維實物，針對粉末狀金屬以及塑性材料，逐層疊加累積成型。快速成型廣泛應用于工業設計、模具制造等技術領域，并在建筑打印、生物材料打印、航空航天等領域進行了研究與應用。熔融沉積制造(FDM)具有操作簡便、成型速度快等諸多優點，應用最為廣泛，2014年9月23日，美國太空探索技術公司將世界第一臺3D打印機送入了太空，關于熔融沉積成型的3D打印技術的研究進入新的階段。

1 技術原理

熔融沉積成型(FDM)工作原理是將加工成絲狀的熱熔性材料(ABS、PLA、蠟等)，經過送絲機構輸送到熱熔打印噴頭，絲或線狀塑性材料在噴嘴內被加熱至熔融狀態，在計算機控制下噴頭沿零件層片形狀輪廓和軌跡運動，將熔融的材料擠出，使其沉積在預期的位置后固化成型，與之前已經成型的層材料粘結，層層堆積最終形成產品模型。

熔融沉積造型技術的加工工藝如下：建立三維CAD模型、三維CAD模型的處理、模型數據的切片處理、打印噴頭根據每層數據信息進行逐層掃描和層層堆積最終完成整個成型件的加工成型、后處理。

熔融沉積造型技術(FDM)的優點：絲材原料塑材清潔、打印過程不產生有害氣體和固體、可快速構建期望或較為復雜形狀的產品如瓶狀或中空零件、不需要使用激光儀器，設備維護簡單，降低成本、可選各種滿足期望的塑性材料、后處理簡單：剝離支撐后原型即可使用。

2 技術發展狀況分析

2.1 全球專利申請趨勢和技術發展

本文檢索的時間截止2017年4月25日，經過檢索、人工篩選以及人工去噪，最終得到全球的專利申請。經過二十多年的發展，熔融沉積造型技術(FDM)整體上呈現較好較快的發展態勢，特別是在2010年至2015年專利申請量有較大的提升，FDM技術領域一直是3D打印技術研究的熱點方向之一。1988年，美國學者Scott Crump首次提出該成型工藝， 1991年，第一臺FDM成型機被提出商業應用。目前，國外研究人員和企業在熔融沉積造型技術工藝領域發展的較為領先和成熟的主要有Stratasys(其是3D打印中研究最為成熟和深入)、3D Systems在SLA技術上的應用更為領先、MakerBot在打印設備上成績突出，其基于計算機技術空間掃描信息文件圖，在塑性薄層材料上層層噴涂原料，通過粘結劑使得層材料的堆積，在對成型精度要求高的模型時應用較好，以及Object等也是業內較為突出的公司，其開發了ObietPolvJetMatrix技術，成功地實現了超薄層厚光敏樹脂噴射，其可以用于不同模型材料同時噴射。1993年，Stratasys公司的研究人員推出了第一臺商業化機型FDM快速成型機。Stratasys公司涉及的專利申請包括熔融沉積成型和直接從CAD三維文件制造產品，其研究開發的3D打印材料在130多種以上，申請的專利超過同行業內其他的公司，其中有大于120種特殊的噴墨基感光聚合物材料，10多種用于熔融沉積成型的熱塑性材料。國內的3D打印技術的研究較國外晚，從20世紀90年代初，我國的清華大學、浙江大學、中國科學院等高校和科研單位對熔融沉積造型等快速成型技術的工藝研究工作也開始著手于相關創新工藝的開發，且逐漸推出了比較成熟的產品和裝置。中國和美國在熔融沉積造型技術(FDM)領域專利申請方面，既是最大的申請來源國，也是最大的目標市場國。中國、美國、歐洲以及日本作為技術來源國的專利申請量比重都小于作為目標市場國時專利申請量的比重，上述這些國家具有較好的發展市場，其他國家均熱衷于在上述國家進行專利布局。

2.2 專利技術演進

根據專利數據庫中檢索到的專利文獻和涉及熔融沉積成型的技術資料，對FDM技術進行細分，在統計了各個分支的專利的基礎上進行分析。在1990-1996年之間(即FDM發展的初期階段)，專利申請的內容涉及FDM的成型方法和支撐結構的改進創新研究較多，該領域的申請人和申請總量相對較少，主要為Stratasys和3D systems公司，其中比較具有代表性的是于1996年公開號為US5491643A的專利申請，其改善了FDM成型中粒子材料堆疊的精度，方法為根據至少在一維空間中待成型產品的數據信息，讓粒子材料的打印形狀更好更精準以滿足生產的期望；在2007年，US20070228592A1專利申請中涉及應用在三維快速成型機中，無需人工校準，以機器執行相應的程序來實現自動化，提高了校準的可靠性和效率。從2005年-2014年(即FDM的快速發展階段)，該領域的專利申請量大幅增加，而且涉及的領域也不僅僅局限于整個成型工藝的改進，逐漸有了對較細技術分支的研究，液化器是FDM作為成型機構中結構復雜的部件，液化器發展的創新和突破重點在于液化器的結構和清潔，它的創新和發展對成型產品的質量和精度至關重要，如US2014252684A1專利文件中分開了在成型過程中，在待機和工作狀態間將用于打印三維部件的成型材料和支撐材料的液化器的切換，可以利用凈化塔對液化器進行清潔。從2005年至今是全球FDM的平穩發展階段，這期間國內FDM的快速發展，2002年以后，FDM技術關于支撐材料的創新研究不斷發展，US2002/0017743A1中公開的支撐材料是自層合的、申請中限定了支撐材料的熱撓曲溫度，該粘合層材料可以在支撐材料的剝離中不破壞成型的三維產品表面質量；專利公開號EP1177098A1給出在熔融沉積成型過程中加快了成型的速度，同時減少了支撐結構的成本。2005年以后該領域的研究更加細致和深入，涉及各技術分支，其中新打印材料的開發一直是各大公司的研究重點，從EP107832A中PEO作為高強度材料到近年國內申請專利CN101641199A中使用改性的ABS作為打印絲材在材料的強度方向分支作出了進步。

3 結語

熔融沉積專利申請涵蓋了成型工藝和裝置、熔絲材料、支撐結構和液化器結構的改進等方方面面，熔融沉積工藝具有成型速度快、成本低、成型精度高等特點，是快速成型中最具發展前景的成型工藝之一，同時FDM成型還有諸多可以改進的創新研究方面，例如：打印成型的材料性能的改進，支撐結構的改進和支撐結構的移除工藝，打印裝置部件的具體結構細節的改進，成型控制方法的改進，主要是打印精度和和效率的控制方法，隨著技術的改進和突破，有關FDM成型技術的發展會有更多的創新和研究的空間。

[1]Li Dichen,Tian Xiaoyong,Wang Yongxin,et al.Developments of additive manufacturing technology[J].Electromachining&Mould,2012(S1) :20-22．

[2]West A P,Sambu S P,Rosen D W.A process planning method for improving build performance in stereolithography[J].Comput Aided Des,2001,33(1):65-79．

[3]Dudek P.FDM 3D printing technology in manufacturing composite elements[J].Arch Metall Mater,2013,58(4):1415-1418.

[4]Chen Xuefang,Zhang Yongkang.The back analysis of technological parameters for FDM using improved BP neural network[J].Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique,2011(6):48-51.