郭紫琪，李曉文，張 瑾，張珍珍

(國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心，四川 成都 610041)

3D打印成型技術(shù)又稱為快速成型技術(shù)，它是將數(shù)字模型文件數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為三維實(shí)物，針對(duì)粉末狀金屬以及塑性材料，逐層疊加累積成型?？焖俪尚蛷V泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、模具制造等技術(shù)領(lǐng)域，并在建筑打印、生物材料打印、航空航天等領(lǐng)域進(jìn)行了研究與應(yīng)用。熔融沉積制造(FDM)具有操作簡(jiǎn)便、成型速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛，2014年9月23日，美國太空探索技術(shù)公司將世界第一臺(tái)3D打印機(jī)送入了太空，關(guān)于熔融沉積成型的3D打印技術(shù)的研究進(jìn)入新的階段。

1 技術(shù)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(jīng)過送絲機(jī)構(gòu)輸送到熱熔打印噴頭，絲或線狀塑性材料在噴嘴內(nèi)被加熱至熔融狀態(tài)，在計(jì)算機(jī)控制下噴頭沿零件層片形狀輪廓和軌跡運(yùn)動(dòng)，將熔融的材料擠出，使其沉積在預(yù)期的位置后固化成型，與之前已經(jīng)成型的層材料粘結(jié)，層層堆積最終形成產(chǎn)品模型。

熔融沉積造型技術(shù)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(shù)據(jù)的切片處理、打印噴頭根據(jù)每層數(shù)據(jù)信息進(jìn)行逐層掃描和層層堆積最終完成整個(gè)成型件的加工成型、后處理。

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

2 技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r分析

2.1 全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)和技術(shù)發(fā)展

本文檢索的時(shí)間截止2017年4月25日，經(jīng)過檢索、人工篩選以及人工去噪，最終得到全球的專利申請(qǐng)。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，熔融沉積造型技術(shù)(FDM)整體上呈現(xiàn)較好較快的發(fā)展態(tài)勢(shì)，特別是在2010年至2015年專利申請(qǐng)量有較大的提升，F(xiàn)DM技術(shù)領(lǐng)域一直是3D打印技術(shù)研究的熱點(diǎn)方向之一。1988年，美國學(xué)者Scott Crump首次提出該成型工藝， 1991年，第一臺(tái)FDM成型機(jī)被提出商業(yè)應(yīng)用。目前，國外研究人員和企業(yè)在熔融沉積造型技術(shù)工藝領(lǐng)域發(fā)展的較為領(lǐng)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(shù)上的應(yīng)用更為領(lǐng)先、MakerBot在打印設(shè)備上成績(jī)突出，其基于計(jì)算機(jī)技術(shù)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(jié)劑使得層材料的堆積，在對(duì)成型精度要求高的模型時(shí)應(yīng)用較好，以及Object等也是業(yè)內(nèi)較為突出的公司，其開發(fā)了ObietPolvJetMatrix技術(shù)，成功地實(shí)現(xiàn)了超薄層厚光敏樹脂噴射，其可以用于不同模型材料同時(shí)噴射。1993年，Stratasys公司的研究人員推出了第一臺(tái)商業(yè)化機(jī)型FDM快速成型機(jī)。Stratasys公司涉及的專利申請(qǐng)包括熔融沉積成型和直接從CAD三維文件制造產(chǎn)品，其研究開發(fā)的3D打印材料在130多種以上，申請(qǐng)的專利超過同行業(yè)內(nèi)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(nèi)的3D打印技術(shù)的研究較國外晚，從20世紀(jì)90年代初，我國的清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中國科學(xué)院等高校和科研單位對(duì)熔融沉積造型等快速成型技術(shù)的工藝研究工作也開始著手于相關(guān)創(chuàng)新工藝的開發(fā)，且逐漸推出了比較成熟的產(chǎn)品和裝置。中國和美國在熔融沉積造型技術(shù)(FDM)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)方面，既是最大的申請(qǐng)來源國，也是最大的目標(biāo)市場(chǎng)國。中國、美國、歐洲以及日本作為技術(shù)來源國的專利申請(qǐng)量比重都小于作為目標(biāo)市場(chǎng)國時(shí)專利申請(qǐng)量的比重，上述這些國家具有較好的發(fā)展市場(chǎng)，其他國家均熱衷于在上述國家進(jìn)行專利布局。

2.2 專利技術(shù)演進(jìn)

根據(jù)專利數(shù)據(jù)庫中檢索到的專利文獻(xiàn)和涉及熔融沉積成型的技術(shù)資料，對(duì)FDM技術(shù)進(jìn)行細(xì)分，在統(tǒng)計(jì)了各個(gè)分支的專利的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。在1990-1996年之間(即FDM發(fā)展的初期階段)，專利申請(qǐng)的內(nèi)容涉及FDM的成型方法和支撐結(jié)構(gòu)的改進(jìn)創(chuàng)新研究較多，該領(lǐng)域的申請(qǐng)人和申請(qǐng)總量相對(duì)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(hào)為US5491643A的專利申請(qǐng)，其改善了FDM成型中粒子材料堆疊的精度，方法為根據(jù)至少在一維空間中待成型產(chǎn)品的數(shù)據(jù)信息，讓粒子材料的打印形狀更好更精準(zhǔn)以滿足生產(chǎn)的期望；在2007年，US20070228592A1專利申請(qǐng)中涉及應(yīng)用在三維快速成型機(jī)中，無需人工校準(zhǔn)，以機(jī)器執(zhí)行相應(yīng)的程序來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高了校準(zhǔn)的可靠性和效率。從2005年-2014年(即FDM的快速發(fā)展階段)，該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量大幅增加，而且涉及的領(lǐng)域也不僅僅局限于整個(gè)成型工藝的改進(jìn)，逐漸有了對(duì)較細(xì)技術(shù)分支的研究，液化器是FDM作為成型機(jī)構(gòu)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件，液化器發(fā)展的創(chuàng)新和突破重點(diǎn)在于液化器的結(jié)構(gòu)和清潔，它的創(chuàng)新和發(fā)展對(duì)成型產(chǎn)品的質(zhì)量和精度至關(guān)重要，如US2014252684A1專利文件中分開了在成型過程中，在待機(jī)和工作狀態(tài)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(duì)液化器進(jìn)行清潔。從2005年至今是全球FDM的平穩(wěn)發(fā)展階段，這期間國內(nèi)FDM的快速發(fā)展，2002年以后，F(xiàn)DM技術(shù)關(guān)于支撐材料的創(chuàng)新研究不斷發(fā)展，US2002/0017743A1中公開的支撐材料是自層合的、申請(qǐng)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(chǎn)品表面質(zhì)量；專利公開號(hào)EP1177098A1給出在熔融沉積成型過程中加快了成型的速度，同時(shí)減少了支撐結(jié)構(gòu)的成本。2005年以后該領(lǐng)域的研究更加細(xì)致和深入，涉及各技術(shù)分支，其中新打印材料的開發(fā)一直是各大公司的研究重點(diǎn)，從EP107832A中PEO作為高強(qiáng)度材料到近年國內(nèi)申請(qǐng)專利CN101641199A中使用改性的ABS作為打印絲材在材料的強(qiáng)度方向分支作出了進(jìn)步。

3 結(jié)語

熔融沉積專利申請(qǐng)涵蓋了成型工藝和裝置、熔絲材料、支撐結(jié)構(gòu)和液化器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)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(diǎn)，是快速成型中最具發(fā)展前景的成型工藝之一，同時(shí)FDM成型還有諸多可以改進(jìn)的創(chuàng)新研究方面，例如：打印成型的材料性能的改進(jìn)，支撐結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和支撐結(jié)構(gòu)的移除工藝，打印裝置部件的具體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的改進(jìn)，成型控制方法的改進(jìn)，主要是打印精度和和效率的控制方法，隨著技術(shù)的改進(jìn)和突破，有關(guān)FDM成型技術(shù)的發(fā)展會(huì)有更多的創(chuàng)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.