3D打印材料挤出技术：定义、历史、应用与工作流全解析

3D打印中的材料挤出是什么？

在3D打印语境下，挤出是将半液态浆料或膏料通过孔口或模具挤压，形成圆柱形（或其他形状）材料线条的过程。材料随后硬化或固化，允许新层挤出材料铺设在顶部。熔融沉积建模（FDM）和熔丝制造（FFF）均采用此技术。

虽然S. Scott Crump最初的FDM工艺用热熔胶枪，但技术已精炼得更精准灵活。材料挤出可用多种材料：聚合物丝、聚合物颗粒、蜡丝和颗粒、陶瓷浆料、聚合物粘结金属粉末丝等。

本文将定义并探讨材料挤出在3D打印中的工艺、历史与应用。

材料挤出使用哪些材料？

材料挤出机可设计为打印以下材料：

1. 聚合物如PLA、ABS、ASL和尼龙常见且添加剂种类丰富。有些技术上属蜡但功能类似聚合物。
2. 陶瓷3D打印成型（通常为艺术）陶器。此用途喷嘴尺寸是塑料挤出机的10-50倍。
3. 混凝土及各类建筑材料近年受关注作为3D打印选项。构想是打印整栋建筑，工艺除规模外与FDM主要无异。

材料挤出应用在哪里？

材料挤出主要用于FDM原型制作。这种增材制造法因最廉价、最易获取而最流行。FDM原型用于营销、产品开发等各行业。零件生产快，通常功能足够供开发者测试特性（特征尺寸不小于1-2mm）。但原型非高性能件。

首个材料挤出技术何时出现？

材料挤出技术最早由科幻作家Murray Leinster在1945年短篇小说《Things Pass By》中预言。实际工艺在1980年代末成型，由Stratasys商业化，成为3D打印行业基石。

材料挤出的注册名称是什么？

Stratasys将材料挤出注册为"熔融沉积建模"（FDM）。专利虽过期，仍保留名称权，但Stratasys似不严格维权。许多厂商称其工艺为"熔丝制造"（FFF），尽管FDM称呼更广为人知。

材料挤出工艺流程

3D打印领域的材料挤出涉及将聚合物或蜡原料通过温控喷嘴强制挤出。这将材料软化为粘性流体或近流体状态，以便沉积在构建台或现有打印模型层上。每层实质上是二维的，但组合成3D构件。

聚合物（或蜡）在喷嘴中加热至凝胶状态。材料应充分熔融以弯曲并与周围（较冷）材料结合，但不能过于液态以免流离沉积点。挤出材料迅速冷却固化，以便下一层铺设其上。

材料挤出的优势

材料挤出在FDM/FFF 3D打印中的优势：

1. 聚合物可在低温下打印，设备简单廉价
2. 极少工艺维护。机器设置优化后，打印机可长时间无人值守运行
3. 可挤出材料是3D打印领域最便宜的，且供应商竞争充分
4. 模型可达到足够外观和机械标准，适用广泛应用
5. FDM/FFF打印机比其他3D打印机更便宜、运营成本更低，价格标签最低

材料挤出的劣势

1. 挤出打印零件强度可能仅为材料典型强度的20%。模型内在较弱
2. 外观光洁度常不理想。FDM在X-Y向和Z轴均无法高分辨率打印。昂贵设备优于廉价系统，但工艺最适合粗糙、缺乏精细细节、不需精密表面光洁度的模型
3. 材料施加时是热的，许多模型保留内应力，冷却时发生变形。昂贵打印机有加热构建室可减轻此效应
4. 层间结合在某些材料中很差，导致严重各向异性。有些材料结合较好，但其性能总有权衡

材料喷射与材料挤出的区别

1. 工艺： 挤出以线条和点状施加半熔融材料，最小点分辨率0.5-1mm（视打印机和具体塑料/蜡而定）。材料喷射精度高一个数量级，喷射液态树脂，点尺寸常<0.05mm。
2. 层构建： 挤出系统单喷嘴（任一时刻）构建模型，限制构建速度。材料喷射用宽达100mm的喷墨打印头单次台面通过"绘制"宽条层，显著加快每层构建。
3. Z向层构建： 挤出系统优势在于构建较厚层，很少薄于0.1mm，常达0.5mm。材料喷射层厚通常16-50µm。这意味着需更多层堆积Z高度，尽管每层打印快，但整体构建通常较慢。
4. 设备成本： 挤出基FDM/FFF技术简单，机器属最便宜3D打印机。材料喷射精密复杂，设备通常比FDM/FFF贵1-2个数量级。

总结

本文回顾了材料挤出在3D打印技术中的概念。了解更多材料挤出及其是否适合您的应用，请联系Xometry代表。Xometry提供广泛制造能力，含3D打印及增值服务，满足您的原型和生产需求。访问官网了解更多或索取免费无义务报价。

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