熔融沉积成型的3D打印专利技术综述

郭紫琪，李晓文，张 瑾，张珍珍

(国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心，四川 成都 610041)

3D打印成型技术又称为快速成型技术，它是将数字模型文件数据信息转化为三维实物，针对粉末状金属以及塑性材料，逐层叠加累积成型。快速成型广泛应用于工业设计、模具制造等技术领域，并在建筑打印、生物材料打印、航空航天等领域进行了研究与应用。熔融沉积制造(FDM)具有操作简便、成型速度快等诸多优点，应用最为广泛，2014年9月23日，美国太空探索技术公司将世界第一台3D打印机送入了太空，关于熔融沉积成型的3D打印技术的研究进入新的阶段。

1 技术原理

熔融沉积成型(FDM)工作原理是将加工成丝状的热熔性材料(ABS、PLA、蜡等)，经过送丝机构输送到热熔打印喷头，丝或线状塑性材料在喷嘴内被加热至熔融状态，在计算机控制下喷头沿零件层片形状轮廓和轨迹运动，将熔融的材料挤出，使其沉积在预期的位置后固化成型，与之前已经成型的层材料粘结，层层堆积最终形成产品模型。

熔融沉积造型技术的加工工艺如下：建立三维CAD模型、三维CAD模型的处理、模型数据的切片处理、打印喷头根据每层数据信息进行逐层扫描和层层堆积最终完成整个成型件的加工成型、后处理。

熔融沉积造型技术(FDM)的优点：丝材原料塑材清洁、打印过程不产生有害气体和固体、可快速构建期望或较为复杂形状的产品如瓶状或中空零件、不需要使用激光仪器，设备维护简单，降低成本、可选各种满足期望的塑性材料、后处理简单：剥离支撑后原型即可使用。

2 技术发展状况分析

2.1 全球专利申请趋势和技术发展

本文检索的时间截止2017年4月25日，经过检索、人工筛选以及人工去噪，最终得到全球的专利申请。经过二十多年的发展，熔融沉积造型技术(FDM)整体上呈现较好较快的发展态势，特别是在2010年至2015年专利申请量有较大的提升，FDM技术领域一直是3D打印技术研究的热点方向之一。1988年，美国学者Scott Crump首次提出该成型工艺， 1991年，第一台FDM成型机被提出商业应用。目前，国外研究人员和企业在熔融沉积造型技术工艺领域发展的较为领先和成熟的主要有Stratasys(其是3D打印中研究最为成熟和深入)、3D Systems在SLA技术上的应用更为领先、MakerBot在打印设备上成绩突出，其基于计算机技术空间扫描信息文件图，在塑性薄层材料上层层喷涂原料，通过粘结剂使得层材料的堆积，在对成型精度要求高的模型时应用较好，以及Object等也是业内较为突出的公司，其开发了ObietPolvJetMatrix技术，成功地实现了超薄层厚光敏树脂喷射，其可以用于不同模型材料同时喷射。1993年，Stratasys公司的研究人员推出了第一台商业化机型FDM快速成型机。Stratasys公司涉及的专利申请包括熔融沉积成型和直接从CAD三维文件制造产品，其研究开发的3D打印材料在130多种以上，申请的专利超过同行业内其他的公司，其中有大于120种特殊的喷墨基感光聚合物材料，10多种用于熔融沉积成型的热塑性材料。国内的3D打印技术的研究较国外晚，从20世纪90年代初，我国的清华大学、浙江大学、中国科学院等高校和科研单位对熔融沉积造型等快速成型技术的工艺研究工作也开始着手于相关创新工艺的开发，且逐渐推出了比较成熟的产品和装置。中国和美国在熔融沉积造型技术(FDM)领域专利申请方面，既是最大的申请来源国，也是最大的目标市场国。中国、美国、欧洲以及日本作为技术来源国的专利申请量比重都小于作为目标市场国时专利申请量的比重，上述这些国家具有较好的发展市场，其他国家均热衷于在上述国家进行专利布局。

2.2 专利技术演进

根据专利数据库中检索到的专利文献和涉及熔融沉积成型的技术资料，对FDM技术进行细分，在统计了各个分支的专利的基础上进行分析。在1990-1996年之间(即FDM发展的初期阶段)，专利申请的内容涉及FDM的成型方法和支撑结构的改进创新研究较多，该领域的申请人和申请总量相对较少，主要为Stratasys和3D systems公司，其中比较具有代表性的是于1996年公开号为US5491643A的专利申请，其改善了FDM成型中粒子材料堆叠的精度，方法为根据至少在一维空间中待成型产品的数据信息，让粒子材料的打印形状更好更精准以满足生产的期望；在2007年，US20070228592A1专利申请中涉及应用在三维快速成型机中，无需人工校准，以机器执行相应的程序来实现自动化，提高了校准的可靠性和效率。从2005年-2014年(即FDM的快速发展阶段)，该领域的专利申请量大幅增加，而且涉及的领域也不仅仅局限于整个成型工艺的改进，逐渐有了对较细技术分支的研究，液化器是FDM作为成型机构中结构复杂的部件，液化器发展的创新和突破重点在于液化器的结构和清洁，它的创新和发展对成型产品的质量和精度至关重要，如US2014252684A1专利文件中分开了在成型过程中，在待机和工作状态间将用于打印三维部件的成型材料和支撑材料的液化器的切换，可以利用净化塔对液化器进行清洁。从2005年至今是全球FDM的平稳发展阶段，这期间国内FDM的快速发展，2002年以后，FDM技术关于支撑材料的创新研究不断发展，US2002/0017743A1中公开的支撑材料是自层合的、申请中限定了支撑材料的热挠曲温度，该粘合层材料可以在支撑材料的剥离中不破坏成型的三维产品表面质量；专利公开号EP1177098A1给出在熔融沉积成型过程中加快了成型的速度，同时减少了支撑结构的成本。2005年以后该领域的研究更加细致和深入，涉及各技术分支，其中新打印材料的开发一直是各大公司的研究重点，从EP107832A中PEO作为高强度材料到近年国内申请专利CN101641199A中使用改性的ABS作为打印丝材在材料的强度方向分支作出了进步。

3 结语

熔融沉积专利申请涵盖了成型工艺和装置、熔丝材料、支撑结构和液化器结构的改进等方方面面，熔融沉积工艺具有成型速度快、成本低、成型精度高等特点，是快速成型中最具发展前景的成型工艺之一，同时FDM成型还有诸多可以改进的创新研究方面，例如：打印成型的材料性能的改进，支撑结构的改进和支撑结构的移除工艺，打印装置部件的具体结构细节的改进，成型控制方法的改进，主要是打印精度和和效率的控制方法，随着技术的改进和突破，有关FDM成型技术的发展会有更多的创新和研究的空间。

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