朱家威，潘 威，黃士爭，MOHINI Sain，楊衛(wèi)民，鑒冉冉，*

（1. 青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2. 多倫多大學(xué)機械與工業(yè)工程系，生物復(fù)合材料及生物質(zhì)材料加工中心，安大略省 多倫多 M5S 3B3；3. 北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100029）

0 前言

FDM 是3D 打印技術(shù)的一種，因其制造工藝方便［1］、材料制備簡單、成本效益高，可在大多數(shù)環(huán)境下制造出所需的復(fù)雜零件，而成為工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)、建筑制造、文化藝術(shù)等領(lǐng)域的研究熱點［2］。但FDM 自身的局限性限制了其在重要工業(yè)構(gòu)件上的推廣使用。其制造原理是將加熱后的材料以細絲狀鋪設(shè)在每一層中［3?4］，但材料的層層堆疊易出現(xiàn)層間粘接不牢的情況，導(dǎo)致打印強度下降［5］。此外，與傳統(tǒng)的塑料制造技術(shù)（如注射成型）相比，F(xiàn)DM 的打印速度較慢，無法實現(xiàn)量產(chǎn)。因此，如何在保證打印精度的前提下提高FDM制件的力學(xué)強度、縮短成型時間，對于該技術(shù)的發(fā)展具有重要的研究價值。

在過去10 年內(nèi)，相關(guān)學(xué)者全方面研究了打印中的細節(jié)對打印件強度和制造時間的影響，如打印時的沉積參數(shù)、輪廓參數(shù)、掃描路徑和噴嘴溫度等［6?10］。但這些基于打印參數(shù)優(yōu)化的方法對強度和速度的提高十分有限，單單依靠打印參數(shù)的優(yōu)化還不足以解決FDM 技術(shù)所面臨的限制。為此，本文從多個方面探討了關(guān)于提高FDM 技術(shù)打印強度和速度的諸多嘗試，其中包括優(yōu)化層間結(jié)合、材料性能改善（纖維復(fù)合材料）、設(shè)備模塊優(yōu)化以及優(yōu)化打印策略（如螺桿式打印、注射打?。┑?。相信通過對目前FDM 所面臨的限制與改善措施的深刻理解，會激發(fā)新的機器設(shè)計，在打印強度和速度上實現(xiàn)突破性進展，從而擴大FDM技術(shù)的應(yīng)用。

1 打印強度優(yōu)化研究進展

1.1 打印件層間結(jié)合的改善

FDM 制造過程中的層間結(jié)合性能是決定打印件質(zhì)量的關(guān)鍵。而在細絲擠出沉積時，相鄰細絲間由于巨大的溫度差異，結(jié)合效果并不理想，嚴(yán)重影響了打印件在堆積方向的力學(xué)性能。為了改善這種缺陷，傳統(tǒng)FDM 制造通常會采用較小的打印厚度來增強相鄰層間的熱傳遞，但這也會導(dǎo)致打印時間的幾何倍增長。因此，為保證在原有基礎(chǔ)上有效提高打印質(zhì)量，需要研究如何優(yōu)化熱處理過程，減少熱耗散并改善部件層間結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)更牢固的層間黏結(jié)。

打印質(zhì)量受打印層界面結(jié)合的影響，而打印層溫度是影響界面結(jié)合的關(guān)鍵因素。為了保證打印層溫度均勻，減小相鄰細絲間的溫度差異，增強打印層的界面黏合，多采用在噴嘴周圍增設(shè)熱輔助裝置的方法。Han等［11］開發(fā)了一種對打印方向進行激光預(yù)熱的方法如圖1（a）所示，從而改善打印時相鄰細絲間的溫度差異。實驗結(jié)果表明，打印件的拉伸強度提高了178 %，各向同性值提高了82.8 %。Alberto 等［12］通過加熱輥的壓力和熱量來增加細絲間表面接觸和界面擴散如圖1（b）所示，但由于打印設(shè)備只能進行簡單零件的制備，其實用性有限。Ravoori 等［13］使用加熱塊來提高噴嘴周圍的溫度如圖1（c）所示，并研究了加熱塊在噴嘴前、后和前后同時裝配情況下打印層的溫度分布。結(jié)果表明，當(dāng)加熱塊前后同時配置時，打印層溫度分布最優(yōu)，層間結(jié)合最好。Du 等［14］比較了不同激光加熱方向?qū)缑娼Y(jié)合行為的影響，并指出垂直打印方向的激光束能以更高的能量強度覆蓋更多的打印區(qū)域，尤其在打印層Z方向上的能量擴散，能有效增強聚合物的層間擴散，最大可使丙烯腈?丁二烯?苯乙烯共聚物（ABS）部件的拉伸強度增強195%。事實證明，通過增設(shè)熱輔助裝置以改善噴嘴周圍溫度場，是增強打印件整體質(zhì)量的重要手段。但大部分設(shè)備只考慮了單方向的打印與加熱，雖然有研究人員通過在噴頭處加裝旋轉(zhuǎn)軸與加熱裝置耦合［15?16］，以改善打印和加熱的靈活性，但這樣做會對噴頭系統(tǒng)產(chǎn)生影響，如噴頭重量變大、穩(wěn)定性變差等，從而影響打印精度。

圖1 打印過程熱處理Fig.1 Heat treatment during the printing process

此外，相關(guān)研究人員也在積極探索新的方法來優(yōu)化FDM 打印過程熱處理，以提高打印質(zhì)量和效率。例如，Maidin 等［17?18］發(fā)現(xiàn)在真空低壓或氮氣環(huán)境下打印，可有效減少空氣對流引起的熱損失，從而延長打印層處于高溫狀態(tài)的時間。實驗結(jié)果顯示，與常規(guī)狀態(tài)下打印的試樣相比，樣品層間結(jié)合性能更好，拉伸強度提高了12.83 %。而Li等［19］通過在打印后輔以超聲振動來實現(xiàn)打印件層與層之間的摩擦結(jié)合。研究顯示，超聲強化后，試樣拉伸強度和彈性模量分別提高了11.3 %和16.7 %。Sweeney 等［20］選用內(nèi)部具有均勻混合的碳納米管熱塑性材料進行打印，利用碳納米管在微波輻射下產(chǎn)生熱反應(yīng)的特性，在打印過程中對打印界面進行“焊接”。研究發(fā)現(xiàn)，這種方法可以使打印件Z方向強度提高31 %，拉伸強度達到注塑水平。

近年來，為解決FDM 打印制品韌性和強度問題，研究人員從仿生結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，引入自然界復(fù)雜的層間結(jié)構(gòu)（如螺旋疊層結(jié)構(gòu)）來改善制品性能。在螳螂蝦外骨骼纖維鋪層的啟發(fā)下，Liu 等［21?23］搭建了單螺旋和雙螺旋疊層結(jié)構(gòu)打印件的模型，并測試了其沖擊性能。結(jié)果表明，螺旋疊層結(jié)構(gòu)可以改變制品內(nèi)部裂紋擴展方向，從而耗散沖擊能量，并使樣品的沖擊性能達到了與壓縮實心板相媲美的水平。此外，雙螺旋結(jié)構(gòu)的沖擊性能更佳，而連續(xù)碳纖維增強的螺旋復(fù)合材料具有更顯著的沖擊能量吸收能力［24］。研究還指出，裂紋偏轉(zhuǎn)對于減少裂紋擴展起著重要作用?？傊律蛴〖夹g(shù)借鑒自然界的設(shè)計原則，提高了打印件的抗沖擊性，同時與注塑或壓縮成型技術(shù)相比，避免了制造時間、成本和復(fù)雜性方面的額外投入，為高速高強熔融成型技術(shù)提供了有益的思路和方法。

1.2 打印材料的強化研究

為了突破傳統(tǒng)打印材料的性能限制，提高FDM 打印件的整體質(zhì)量，需要開發(fā)高性能打印材料。其中，材料改性是一種常用的方法，通過將具有所需性能的組分或填料引入到純聚合物原料中，以提高FDM 打印部件的力學(xué)性能或?qū)娱g結(jié)合力。這些新型材料可以分為3 類：混合材料、短纖維增強復(fù)合材料和長纖維增強復(fù)合材料。

強化沉積材料層間結(jié)合性能對提升FDM 技術(shù)的實用性、增強打印件堆積方向（Z方向）力學(xué)性能和各向同性至關(guān)重要［25］。為此，我們可以采用共混改性、添加界面活性劑和結(jié)構(gòu)化長絲等材料共混策略來改善材料的界面結(jié)合性。Yamamoto 等［26］利用超聲波均質(zhì)器，將表面含羧基和羥基官能團的低負(fù)荷氧化石墨烯納米片均勻的擴散到ABS 中，以增強材料的界面黏附性。Appuhamillage 等［27］則將聚乳酸（PLA）與Diels?Alder 反應(yīng)官能團混合形成的共混物作為打印材料。實驗結(jié)果表明，官能團可以在高溫下解聚、低溫下聚合，以此在固有的打印層間形成新的共價鍵，從而增強結(jié)合性能。利用這種方法制造的零件層間結(jié)合強度提高了290 %。而Levenhagen［28］的研究表明，低分子量的添加劑可以在沉積后優(yōu)先游離到打印層的界面，從而增加相鄰打印層之間的結(jié)合力，進而優(yōu)化打印質(zhì)量。Peng 等［29?30］研究了具有不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的核?殼聚合物長絲，以克服界面弱的特點。在打印過程中，低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的外殼處于熔融態(tài)的時間更長，可以更好地與鄰層相結(jié)合。結(jié)果顯示，樣品沖擊性可以達到注塑水平。綜上所述，為了提高FDM打印件的質(zhì)量和實用性，應(yīng)綜合考慮材料的物理化學(xué)性質(zhì)，在最優(yōu)的打印參數(shù)下采取合適的改性方法，以提高打印件力學(xué)性能和各向同性。然而，改善材料結(jié)合特性將會耗費大量的精力和時間，會大幅提高制作成本。

在過去10年中，伴隨著纖維復(fù)合材料的興起，眾多學(xué)者把纖維增強引入到FDM 技術(shù)中［31］，通過改善打印材料的力學(xué)性能來提升打印件的力學(xué)特性［32?34］。有關(guān)學(xué)者最先研究了短纖維（如碳纖維、玻璃纖維等）增強復(fù)合材料打印的可行性［35?38］。在大多數(shù)情況下，短纖維的加入會提高打印件的拉伸性能，但韌性會降低［39］，而且大長度與高纖維含量會使材料內(nèi)部孔隙現(xiàn)象嚴(yán)重，從而嚴(yán)重影響試件力學(xué)性能［40］，限制了其在工程部件的應(yīng)用。因此，研究人員更傾向于在纖維復(fù)合材料中使用連續(xù)纖維作為打印材料進行FDM制造。

Klift 等［41］評估了連續(xù)碳纖維增強試樣的力學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)試樣拉伸強度比未增強聚酰胺試樣提高了9 倍。Tian 等［42］系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)對試件成型的影響，發(fā)現(xiàn)在合適的噴嘴溫度和進絲速度下，27 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）纖維含量的CFR?PLA 復(fù)合材料可以獲得335 MPa 的最大彎曲強度和30 GPa 的彎曲模量。Shi 等［43］研究了不同纖維層分布對試件力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示，纖維層的均勻分布有助于各層拉應(yīng)力在整個復(fù)合材料中趨于平衡，從而獲得較好的拉伸強度。在沖擊性能上，Caminero 等［44］測試了不同纖維體積含量的試樣。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的沖擊強度隨著纖維體積含量的增加而增加。并指出，相較于選用性能更高的Kevlar 纖維，玻璃纖維與基體的界面結(jié)合更好，沖擊性能更優(yōu)異。還有一些人員研究了短纖維層與長纖維層依次打印時零件的機械性能，發(fā)現(xiàn)在拉伸強度方面兩者的協(xié)同增強優(yōu)于單一碳纖維增強［45］，在后續(xù)以短纖維材料onyx為基體和連續(xù)碳纖維結(jié)合制備的樣品中，力學(xué)性能可以達到超過航空航天級鋁的強度，顯示出其作為替代技術(shù)的潛力［46］。

盡管纖維增強復(fù)合材料使打印件的橫/縱向拉伸強度達到注塑件水平，但由于纖維與熱塑性基體界面結(jié)合性能差，致使打印件豎向強度薄弱。為了改善這種現(xiàn)象，目前主要有3種方案：（1） 雙噴頭纖維預(yù)浸［47］，如圖2（a）所示。雙噴頭打印時鋪設(shè)由薄熱塑性基體包裹的纖維長束，來加強打印時纖維與基體的結(jié)合。（2）纖維加熱原位預(yù)浸［48］，如圖2（b）所示。纖維進入噴嘴前對其進行預(yù)熱，利用纖維表面熱量改善與基體的結(jié)合。該方法打印的制件與純PLA 制件相比，拉伸強度和彎曲強度高出435 %和316 %。（3） 纖維原位雙向預(yù)浸［49］，如圖2（c）所示。通過改進單噴嘴打印頭進料位置，在兩側(cè)開設(shè)新通口以填充熱塑性基體，使中部纖維長束兩側(cè)都與基體充分結(jié)合。這些方法的應(yīng)用可以有效地提高打印件的豎向強度，進一步優(yōu)化了纖維增強復(fù)合材料的FDM制造技術(shù)。

圖2 連續(xù)纖維與基體界面結(jié)合改善方案Fig.2 Improvement schemes for the interface bonding between continuous fibers and matrix

2 FDM 速率改善措施

2.1 設(shè)備模塊優(yōu)化

FDM 技術(shù)成型速度慢是另一個關(guān)鍵性技術(shù)阻礙。設(shè)備的打印速度與各模塊（進料模塊、熔融與沉積模塊、運動模塊）之間的限制有關(guān)［圖3 （a）］，任何一個模塊達到速度的限制都會造成整體打印過程的失敗。Go等［50］人通過測量傳統(tǒng)FDM設(shè)備，分析了在定位速度（V）、進絲驅(qū)動力（F）和液化流道長度（L）約束下FDM 系統(tǒng)構(gòu)建速率與分辨率的性能提升空間［圖3 （b）］。研究顯示，在不改變打印精度下，通過突破單一模塊的限制，就會使打印速度成倍增加。因此，為明確如何實現(xiàn)高速打印，就需要清楚目前國內(nèi)外對3種模塊的優(yōu)化方案。

圖3 FDM設(shè)備模塊及性能總結(jié)Fig.3 Summary of modules and performance of FDM equipment

為了提升設(shè)備的進料速度，研究人員主要對傳統(tǒng)進料機構(gòu)［圖4 （a）］進行了優(yōu)化創(chuàng)新。例如，Jones等［51］通過增加夾輪數(shù)量來提高進絲驅(qū)動力。Labossiere等［52］將傳統(tǒng)齒輪設(shè)計為帶有溝壑的棍子［圖4 （b）］，曲面的溝壑能有效增加與長絲的接觸面積，同時避免了傳統(tǒng)夾輪機構(gòu)過快時對細絲的剪切破壞［53］。閆東升等［54］研究了V 型卡槽角度對細絲驅(qū)動力的影響［圖4（c）］。由實驗分析可知，卡槽角度為30°時，進絲驅(qū)動力最大。而汪甜田等［55］通過一對V 型輪驅(qū)動絲材，使進絲驅(qū)動力提高了4倍。

圖4 進料驅(qū)動輪Fig.4 Feed drive wheels

在熔融與沉積模塊方面，研究人員主要關(guān)注的是提高噴嘴熔融速度和熱傳遞效率。Bezukladnikov等［56］分析了感應(yīng)加熱式噴嘴溫度不均勻的問題，并進行了優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果顯示，噴嘴加熱效率提高了35 %。汪傳生等［57］為了改善噴嘴出口溫度，以減少材料堵塞，在噴嘴處增設(shè)環(huán)形加熱電阻，并進行有限元分析。結(jié)果表明，噴嘴出口溫度與熔腔溫度基本保持一致。Sukin?dar 等［58］將方形加熱塊優(yōu)化成表面具有高絕熱材料的圓柱形結(jié)構(gòu)，以減少材料在噴嘴內(nèi)達到熔融態(tài)的時間。而麻省理工團隊［59］通過在液化流道前部增設(shè)一塊激光反射區(qū)域，對材料進行預(yù)熱后再送往液化流道，大幅提升了設(shè)備的塑化能力。

對于運動系統(tǒng)，傳統(tǒng)設(shè)備的運動結(jié)構(gòu)（笛卡爾結(jié)構(gòu)［60］、Delta 結(jié)構(gòu)［61］、龍門結(jié)構(gòu)［62］）就可以滿足大多數(shù)擠出速度的要求，但高速運行下產(chǎn)生的慣性、加速度、振動會對打印精度產(chǎn)生影響。因此，為提高運動系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要采取一些優(yōu)化措施，如結(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制系統(tǒng)優(yōu)化、傳動系統(tǒng)優(yōu)化等。Duan 等［63］提出了一種預(yù)見濾波B 樣條振動補償?shù)目刂品椒?，可有效減少打印機振動帶來的誤差。該方法不僅能提高零件質(zhì)量，還允許在更高的打印速度下生產(chǎn)高精度零件。張文君等［64］對傳統(tǒng)運動機構(gòu)進行優(yōu)化，用滾珠絲杠和滾動螺母代替原有的同步帶傳動。結(jié)果顯示，優(yōu)化后的設(shè)備打印時更加穩(wěn)定，且打印誤差波動明顯減少。Sollmann等［65］研究了一種新的運動架構(gòu)——H 型龍門架，如圖5所示，內(nèi)部的滑塊由多個固定執(zhí)行器同時移動。研究表明，H 型架構(gòu)可以提供更高的力和更低的慣性。Go等［59］人將傳統(tǒng)步進電機改為伺服驅(qū)動，使H 型架構(gòu)可以在保證穩(wěn)定性的同時具有更強的靈活性。

圖5 H型龍門架構(gòu)Fig.5 H?type gantry structure

麻省理工團隊［59］針對FDM 技術(shù)中存在的模塊性能限制，對其進行優(yōu)化整合，設(shè)計出了可分別實現(xiàn)高擠出力、細絲快速加熱和快速定位的“FastFFF”系統(tǒng)［圖6 （a）］，該系統(tǒng)通過螺母進給機構(gòu)驅(qū)動螺紋長絲輸送熔融，利用類似于絲杠線性致動模式產(chǎn)生的高傳動比和高軸向力來顯著提高擠出精度和速度。同時，采用激光輔助加熱和伺服驅(qū)動的H 型架構(gòu)以適應(yīng)高的擠出速度。通過相互克服模塊間的性能限制，并在保證原有打印質(zhì)量的前提下，將打印速度提高了7 倍。事實證明，通過對3 種模塊的優(yōu)化，可以實現(xiàn)FDM 技術(shù)的高速高強打印，從而推動其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

圖6 模塊優(yōu)化措施Fig.6 Module optimization measures

此外，在3 種模塊中，噴頭的塑化能力是提升打印速度的關(guān)鍵。相同進絲驅(qū)動力下，具有更強塑化能力的設(shè)備可以實現(xiàn)更高的打印速度［66］。因此，應(yīng)綜合考慮進料及加熱裝置，以確保擠出熔體的流通量和質(zhì)量。Tseng 等［67］為實現(xiàn)高速高強熔融沉積制造并解除設(shè)備對高性能打印材料的限制。采用單螺桿擠出機代替原有進料系統(tǒng)［圖6 （b）］，通過螺桿裝置實現(xiàn)對打印溫度與擠出流量的精確控制。研究表明，相對于傳統(tǒng)的柱塞式［68］擠出，螺桿式擠出具有的強大塑化能力和對材料大的軸向驅(qū)動力，使其擁有相對較高的打印速度和對高黏度、耐高溫材料聚醚醚酮（PEEK）打印件的制備能力。而Kumar等［69］通過基于螺桿擠出的材料沉積工具（MDT）與噴嘴結(jié)合，實現(xiàn)了對高黏彈性材料乙烯醋酸乙烯（EVA）的高質(zhì)量打印。Hong 等［70］通過帶有加熱線圈的導(dǎo)管將螺桿擠出機與打印噴嘴相連，結(jié)合兩者優(yōu)點，實現(xiàn)了不同形狀（顆粒、粉末等）和黏度材料的組合打印。為減少螺桿式噴頭的尺寸，王天明等［71］將微型螺桿與傳統(tǒng)打印噴嘴結(jié)合，并進行打印測試。實驗結(jié)果顯示，微型螺桿的設(shè)計改善了熔融材料在噴嘴處的壓力分布，從而有效減少了流涎現(xiàn)象對成型的影響，且打印速度提高了8 倍。綜上所述，螺桿式打印技術(shù)在高速打印的基礎(chǔ)上展現(xiàn)了對各類材料的通用性。因此，該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于更大的系統(tǒng)和先進材料領(lǐng)域，如高溫?zé)崴苄圆牧虾投汤w維復(fù)合材料等，以進一步擴展高速高強熔融沉積技術(shù)。同時，為了更好地適應(yīng)市場需求，也需要不斷發(fā)展螺桿小型化技術(shù)。

2.2 打印策略優(yōu)化

傳統(tǒng)FDM 打印為了保證打印精度一般設(shè)置較小的噴嘴直徑［72］，但這會導(dǎo)致熔融態(tài)的材料不易擠出，致使打印速度不能有效提升。雖然目前出現(xiàn)的多噴頭打?。?3?74］和擴大整體設(shè)備［75］可以提高打印速度，但會存在噴頭間運動干涉和打印精度的問題。為了在保證精度的情況下有效提升打印速度，Pekkanen 等［76］將水溶性聚合物替代傳統(tǒng)切割或撕下的支撐材料來改善打印過程中制造零件的效率。該方法可以避免破壞敏感和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)細節(jié)，并間接縮短了打印件的制造時間。而王琛等［77］設(shè)計了可變流量的噴嘴，以實現(xiàn)零件表面的精細打印和內(nèi)部填充時的快速打印。然而，打印制件內(nèi)部存在嚴(yán)重的機械缺陷。因此，在FDM 技術(shù)中，如何在確保打印強度和精度的前提下有效提升打印速度對該技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

為了改善FDM 打印在零件強度、精度和生產(chǎn)率方面的缺陷，一些學(xué)者引入了傳統(tǒng)制造工藝（例如注射成型）的原理到FDM 制造中，采用模塑成型的方式進行制造。相比傳統(tǒng)的FDM 制造方式（由點成線、由線成面、由面成體），這種制造方式是一種更為高效的“體到體”的構(gòu)建方法，可以大幅提高生產(chǎn)效率和零件質(zhì)量。Son 等［78］通過零件外殼打印和內(nèi)部注射結(jié)合的方式進行增材制造［圖7 （a）］，即先使用FDM 設(shè)備打印熱塑性零件薄殼，再在殼內(nèi)注射和固化熱固性樹脂，使打印件成型速度提升1 倍，各向同性值達到注塑水平。然而，該策略在注射液態(tài)樹脂前需要對外殼內(nèi)表面進行化學(xué)處理以增加殼芯結(jié)合強度，工藝較為復(fù)雜。相比之下，David 等［79］通過FDM 設(shè)備連續(xù)依次的外殼打印與內(nèi)腔注射進行零件的整體構(gòu)造［圖7（b）］，打印時更靈活。該方法可使打印速度提高3.2倍，但由于零件內(nèi)腔注射時缺乏保壓過程，使內(nèi)部材料冷卻時存在嚴(yán)重的體積收縮，致使打印件強度提升不大。這種以打印殼為模具進行內(nèi)部注射的增材制造手段稱為注射打印。與傳統(tǒng)FDM 制造相比，該方法打破了打印質(zhì)量與打印速度之間的矛盾關(guān)系，為實現(xiàn)高速高強熔融沉積制造提供了關(guān)鍵性技術(shù)支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖7 注射打印原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of the injection printing principle

基于此，筆者所在團隊提出了“預(yù)打印殼體?后注射殼芯”的全新注射打印策略［80?82］［圖7（c）］，該方法通過螺桿與噴嘴結(jié)合，使用同一種熱塑性樹脂，實現(xiàn)零件外殼的打印和內(nèi)部殼芯的注射，最后進行保壓補縮，使材料強度達到注塑水平，從而實現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜工業(yè)部件的制造。

3 結(jié)語

（1） 隨著FDM 技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)研究多種加工方法的聯(lián)合應(yīng)用，以協(xié)同加強打印件的力學(xué)性能；在熱輔助裝置的設(shè)計上，應(yīng)優(yōu)化成圓形，以實現(xiàn)對打印層的全方位加熱，這樣設(shè)計能夠使打印更加靈活，無須考慮打印方向與加熱方向的一致性；各種熱改進方法也可以用于打印長纖維復(fù)合材料部件，以改善纖維與基體之間的孔隙，增強打印件的各向同性；現(xiàn)有的送料系統(tǒng)功能單一，無法滿足不同材料的輸送需求，因此需要設(shè)計一款全面、便捷的送料系統(tǒng)；同時，材料強化方面的研究成果應(yīng)積極運用于高速FDM 技術(shù)中，以提高打印材料的性能和強度，從而實現(xiàn)高速高強度的打印需求；

（2） 設(shè)備模塊的優(yōu)化為高速FDM 技術(shù)提供了更多的研究方向，但在注重打印速度的同時，也必須關(guān)注打印的精度；在高速打印過程中，需要改進現(xiàn)有噴頭結(jié)構(gòu)，以確保噴嘴的擠出力和嚴(yán)格的流量控制；此外，不同區(qū)域可采用不同的打印速率和流量以兼顧打印精度和成型時間；在需要更高精度的區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)降低打印速度；同時，打印過程中也應(yīng)該考慮材料的冷卻問題；在高速打印下，材料處于溫度極高的熔融態(tài)，如果不能及時進行冷卻，會導(dǎo)致打印件的塌陷；因此，需要對冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化，確保打印件能夠在高速打印過程中保持穩(wěn)定的形態(tài)；

（3） 注射打印已經(jīng)被證明具有明顯的優(yōu)勢，但作為新興技術(shù)，本身還存有一定缺陷；例如，殼體的冷卻時間、設(shè)備的塑化能力、打印和注射時不同的流量控制、保壓補縮時基于壓力的控制等都有待進一步解決和完善；相信通過后續(xù)改進的預(yù)處理算法、機器設(shè)計和多材料應(yīng)用，注射打印可以實現(xiàn)FDM 技術(shù)從小批量原型定制到大規(guī)模工業(yè)制造的轉(zhuǎn)變；

（4） 傳統(tǒng)FDM 設(shè)備的打印精度和強度是建立在犧牲打印速度上的，由于固有的技術(shù)壁壘，對傳統(tǒng)設(shè)備的模塊優(yōu)化始終無法同時兼顧三者；因此，我們需要新的模塊設(shè)計，就像減材制造中提出增材制造一樣，F(xiàn)DM 設(shè)備不是一個模板，而是需要眾多學(xué)者不斷改進、創(chuàng)新，提出新的打印策略和設(shè)備，以實現(xiàn)更高的打印精度、強度和速度。