FDM 3D 打印：我们今天在哪里？

基于挤出的 3D 打印的进步正在改变熔丝制造 (FFF) 技术的发展轨迹。

FFF 或 FDM（熔融沉积建模），因为它更常被提及，是最常用的 3D 打印技术之一。随着所有工业领域的采用率不断提高，FDM 是 2017 年创收最多的 3D 打印技术，据说拥有最大的安装基数 (SmarTech)。

那么是什么刺激了该技术的发展和成熟？未来基于挤出的聚合物 3D 打印将如何发展？

为了回答这些问题，本文将介绍塑造 FDM 的一些关键发展以及这项激动人心的技术的下一步发展。

FDM 发展的关键里程碑

• 1989 ：Scott 和 Lisa Crump 为一种新的增材制造方法申请了专利，为 Fused Deposition Modeling (FDM) 注册了商标，并成立了硬件公司 Stratasys。

• 1991 ：Stratasys 首次将 FDM 3D 打印商业化。

• 2005 ：标志着 RepRap 项目的开始，这有助于降低 FDM 3D 打印的成本。

• 2008 ：Stratasys 宣布将为其 FDM 900mc 和 400mc 机器提供高性能 ULTEM 9085——这是 FDM 材料向前迈出的一大步。

• 2009 ：第一批 FDM 专利到期，允许爱好者开发和商业化他们自己的 DIY FDM 3D 打印机。 MakerBot 和 Lulzbot 等公司凭借其 DIY 打印机套件取得了巨大成功。

• 2011 ：领先的桌面 FDM 3D 打印机制造商 Ultimaker 成立。

• 2013 ：Stratasys 收购了桌面 3D 打印机制造商 MakerBot。

• 2013 ：提供复合 FDM 3D 打印技术的硬件制造商 Markforged 成立。

• 2014 ：大型 FDM 3D 打印机制造商 BigRep 成立。

• 2015 ：Voodoo Manufacturing 开始其 3D 打印业务，到 2019 年将发展成为拥有 200 多台 FDM 机器的数字工厂。

• 2017 ：Stratasys 推出了其连续 3D 构建演示器——一种用于高通量操作的模块化 3D 打印单元。

• 2018 ：Essentium 将其高速挤出平台商业化，该平台采用 FlashFuse 技术，该技术使用电加热来 3D 打印部件。

FDM 的起源

基于挤压的 3D 打印的出现可以追溯到 1980 年代后期，当时工程师兼发明家 Scott Crump 开发了一种新颖的快速原型制作方法。

1989 年，Crump 为这项新技术申请了专利，并将其命名为 Fused沉积建模。同年，Scott 和 Lisa Crump 共同创立了 Stratasys，并在两年后交付了他们的第一台 FDM 机器 3D Modeler。

从那时起，FDM 技术获得了巨大的吸引力，填补低成本快速原型解决方案的空白。

今天，Stratasys 仍然是 3D 打印行业最大的硬件公司之一，提供 9 种型号的 FDM 机器和多台 Polyjet 3D 打印机。

当前的 FDM 3D 打印机涉及以分层方式熔化和挤出热塑性材料的相同过程，就像 30 年前第一台 FDM 机器所做的那样。

也就是说，假设技术没有发展是错误的。许多发展已经塑造了 FDM 3D 打印，使其成为使用最广泛的添加剂技术之一。

RepRap 项目和低成本 FDM 的兴起

FDM 技术的成功可以部分解释为 RepRap 项目的兴起和 2000 年代末几项 FDM 专利的到期。

RepRap 项目推广了开源、自复制 3D 打印机的概念。这个概念首先被 DIY 社区采用。但是，随着 Stratasys 在 2000 年代末持有的关键 FDM 专利到期，许多公司突然出现，希望将基于 RepRep 的 FDM 3D 打印机商业化。

这以显着降低的成本引起了 FDM 桌面 3D 打印机的浪潮 - 使该技术成为新公司的一个很好的切入点。

2010 年代：新一代 FDM

RepRap 运动的兴起和 FDM 关键专利的到期显着加速了该技术在过去十年的发展。许多有前途的公司已经出现，希望进一步推进 FDM 3D 打印。

开创性的连续碳纤维 3D 打印

2014 年，一家小型初创公司 Markforged 凭借其连续长丝制造 (CFF) 3D 打印技术引起了轰动。据报道，该公司是第一个实现连续纤维 3D 打印的公司，为 FDM 技术开辟了新的工业机会。

在 CFF 的支持下，Markforged 的​​紧凑型桌面 3D 打印机使用两个打印头：一个用于挤出尼龙基长丝，另一个用于铺设连续的高强度纤维束，包括碳纤维、凯夫拉尔和玻璃纤维.

增强纤维构成了打印部件的“主干”，生产出坚硬、坚固和耐用的部件。

例如，Markforged 的​​工业级 X7 机器是 Markforged 的​​六款聚合物 3D 打印机中的最新款，据说打印的零件比 6061 铝更坚固，重量减轻 40%。

售价 70,000 美元，X7 具有 330 x 270 x 200 毫米的构建体积和 50 微米的层高。对于价格相对较低的机器，这些规格相当不错，更不用说 X7 打印耐用工具以及功能性备件和最终用途零件的能力。

通过提供使用增强材料进行打印的能力，Markforged 已经进入了一个非常有利可图的市场。据报道，仅在 2018 年，该公司就运送了 2,500 多台工业 3D 打印机。凭借如此高速的增长，Markforged 有望成为业内最大的 AM 公司之一。

大幅面 FDM 打印的新标杆？

大幅面 3D 打印有可能解决制造商在原型制作和生产更大零件时面临的许多挑战。

此类零件通常需要较长的交货时间，因为需要组装。它们还需要生产更大的工具，这通常会导致大量费用。

一家帮助克服这些挑战的公司是 BigRep。 BigRep 成立于 2014 年，将自己定位为市场上最大的挤出 3D 打印机制造商，其机器的打印量超过 1m³。

虽然 3D 打印大型物体有其优点，但还有一个关键限制：速度。打印更大的零件可能需要数天甚至数周才能完成，这会增加打印失败的风险。

BigRep 旨在通过多种方式解决这个问题。

在过去，BigRep 引入了更大的喷嘴，以便能够以更快的方式挤出更多的塑料，并且还引入了与之相匹配的大重量线轴。

在 2017 年，该公司开始生产其“高速”长丝，可将打印时间减少多达 50%。

但也许最令人兴奋的进步之一是 BigRep 的计量挤出技术 (MXT) ）。

在 formnext 2018 上，BigRep 推出了两款新的 MXT 驱动的 3D 打印机：BigRep PRO 和 BigRep EDGE。与博世力士乐合作开发的 MXT 挤出机系统具有多项使其与标准挤出机区别开来的关键特性。

它具有一个特殊的储存器，用于容纳熔融材料。由步进电机驱动的齿轮从该容器中取出指定数量的材料并将其推入喷嘴。

这种方法可以完全控制沉积材料的速度和数量。据 BigRep 称，MXT 系统使其新打印机的速度比当前的挤出机快五倍，并有助于实现更高的精度。

当前的 MXT 系统只是 MXT 概念的第一次迭代，但是，鉴于其所有优点，看到该技术在未来如何发展将会令人兴奋。

注入各向同性的强度

除了速度限制外，由于打印过程的分层性质，各向异性部件是 FDM 3D 打印中的另一个常见问题。

逐层沉积材料会导致 Z 轴（沉积层的方向）的部分薄弱。因此，虽然注塑成型零件可能接近 100% 各向同性（在所有方向上强度相同），但 FDM 零件通常会在 Z 轴上失去强度。

一些工业机器通过使用外壳为整个建筑区域供暖来解决这个问题。虽然这种解决方案有助于改善层间的结合，但往往过于耗能。

3D 打印公司 Essentium 开发了一种新的、有前途的 FDM 技术，以提高 3D 打印部件的机械强度。

该技术被称为 FlashFuse，涉及能量响应灯丝的沉积和电流的应用。该电流加热零件，有效地将各层成型在一起。

这种方法有两个好处。

首先，使用 FlashFuse 技术 3D 打印部件的强度可与注塑部件相媲美。其次，它可以防止零件变形，例如翘曲，因为在打印过程中温度保持稳定。

这项技术现在为 Essentium 的高速挤出 (HSE) 180-S 3D 打印机提供动力，该打印机的价格为 75,000 美元。

克服了 FDM 3D 打印的一些关键障碍，帮助该公司在由巴斯夫风险投资公司牵头的 A 轮融资中筹集了 2200 万美元。通过最近的资金，Essentium 正在寻求推动其生产应用技术，为 FDM 3D 打印设定新的基准。

工业级 FDM 材料

虽然 FDM 材料市场还很年轻，但多年来它已经有了显着的发展，推动材料科学超越标准 PLA 和 ABS 长丝。

如今，FDM 用户可以购买复合材料、尼龙、柔性、生物相容性和工程级材料等。

特别令人兴奋的是可以使用 ULTEM 和 PEEK 等高性能材料进行打印。

这些热塑性塑料由于其高熔点而特别具有挑战性。然而，许多当前的 FDM 机器都配备了高温挤出机，使 FDM 成为少数能够处理这些高性能热塑性塑料的添加剂技术之一。

由于越来越多的化学公司加入该行业，以促进 3D 打印的工业应用，FDM 材料的许多进步已经成为可能。其中包括巴斯夫、SABIC、Verbatim（三菱化学集团）、赢创和索尔维等。

例如，索尔维最近推出了 PEEK 和 PPSU 灯丝。这两种材料都具有卓越的特性：PEEK 以其出色的强度重量比而闻名，而 PPSU 具有高耐热性、耐化学性和耐冲击性。

此类生产级热塑性塑料的可用性使关键应用成为可能，例如飞机零件、汽车轴承、石油和天然气部件以及医疗设备。

还有更多 FDM 热塑性塑料尚待开发。但不断增长的需求将有助于刺激它们的发展，为 3D 打印提供新的应用。

3D 打印农场：FDM 的未来？

存在一些限制 FDM 3D 打印在生产应用中使用的挑战，包括部件薄弱和打印速度慢。

然而，FDM 技术的最新发展正在帮助消除速度和强度的障碍。但要使 FDM 真正成为生产技术，它需要变得更具可扩展性。

解决方案之一可能在于所谓的 FDM 3D 打印农场。此类农场涉及十几个或更多 3D 打印机的网络，以实现全天候生产。 Voodoo Manufacturing 就是将这种方法付诸实践的一个例子。

该公司拥有 200 多台 FDM 3D 打印机，并使用先进的软件将 3D 打印作业自动分配给可用的机器。使用其 3D 打印农场，Voodoo Manufacturing 能够以注塑价格完成数百甚至数千个订单。

3D 打印机制造商也已开始构建此概念。 2017 年，Stratasys 展示了其连续构建 3D 演示器，这是一个模块化单元，具有多个 FDM 3D 打印机“单元”，每个单元同时工作并由基于云的中央架构控制。

Stratasys 尚未宣布持续构建平台的商业可用性。然而，该公司相信这种方法可以实现 3D 打印用于生产的梦想。

鉴于其转向更坚固的材料和新的制造策略，FDM 已准备好迎接下一波采用。更强大、更大的零件以及更快、更可扩展的 3D 打印工艺将为基于挤出的机器开辟新市场，将 FDM 技术确立为巨大的制造机会。