3D 打印中的材料挤出：定义、历史、应用和工作流程

在 3D 打印的背景下，挤出是将半液化浆料或糊剂挤压通过孔口或模具以形成圆柱形（或其他）形状的材料线的过程。然后它会硬化或固化，从而可以在上面放置一层新的挤压材料。熔融沉积建模 (FDM) 和熔融丝制造 (FFF) 均使用该技术进行打印。 

尽管 S. Scott Crump 的第一个版本的 FDM 工艺使用了胶枪，但该技术已经过改进，变得更加精确和灵活。材料挤出可以采用多种材料，例如聚合物丝、聚合物颗粒、蜡丝和颗粒、陶瓷浆料以及聚合物粘合金属粉末丝。

本文将定义并讨论与 3D 打印相关的材料挤出的过程、历史和应用。

什么是 3D 打印中的材料挤出？

在 3D 打印领域，挤出工艺意味着将准备粘合的材料推动通过加热的喷嘴，以便将其沉积在连续的层中。每个层实际上都是 3D 对象的 2D“切片”。大多数打印机将聚合物或蜡加热至凝胶状，以使材料可打印。这些材料可以用添加剂进行改性，使其在凝胶状态（即粘度控制剂）或固态下具有所需的性能。  

有关更多信息，请参阅我们的 3D 打印机知识指南。

材料挤出使用什么材料？

材料挤出机可设计用于打印以下内容：

1. PLA、ABS、ASL 和尼龙等聚合物很常见，并含有多种添加剂。其他一些技术上是蜡，但它们的功能与聚合物大致相同。
2. 陶瓷通过 3D 打印形成（通常是艺术的）陶器。用于此目的的喷嘴是塑料挤出机尺寸的 10-50 倍。
3. 混凝土和各种建筑材料作为 3D 打印选项最近引起了人们的关注。这个想法是打印整个建筑物，该过程与 FDM 的主要不同之处在于规模。

材料挤出用在哪里？

材料挤出主要用于 FDM 原型制作。这种增材制造方法比其他方法更受欢迎，因为它是最便宜、最容易获得的选择。 FDM 原型用于各个行业，包括营销和产品开发。这些零件生产速度很快，通常功能足以供开发人员测试功能（只要它们不小于 1-2 毫米）。不过，原型并不是高性能产品。

第一种材料挤出技术何时出现？

材料挤出技术首次由科幻小说作家 Murray Leinster 在他 1945 年的短篇小说《Things Pass By》中预言。然而，真正的过程在 20 世纪 80 年代末才形成实际形式，并由 Stratasys 商业化。这成为3D打印领域的支柱。

Material Extrusion 的注册名称是什么？

Stratasys 将材料挤出注册为“熔融沉积建模”或 FDM。尽管专利已经过期，但他们仍然拥有该名称的权利，尽管 Stratasys 似乎并未对其进行严密监管。许多其他制造商将其工艺称为“熔丝制造”(FFF)，尽管 FDM 名称已得到更广泛的理解。 

什么是材料挤出工艺？

3D 打印领域中的材料挤出涉及迫使聚合物或蜡原料通过温控喷嘴。这会将材料软化为粘性流体或接近流体状态，因此可以将其应用于构建台或现有的打印模型层。每层实际上都是二维的，但它们结合起来创建了 3D 结构。

聚合物（或蜡）在喷嘴中被加热直至达到凝胶状态。材料应充分熔化，以弯曲并与周围（较冷）的材料粘合，但液体不应流离应用点。然后，挤出的材料快速冷却并固化，以便可以在其上面应用下一层。

材料挤压有什么优点？

材料挤出应用于 FDM/FFF 3D 打印时具有以下几个优点：

1. 聚合物可以在低温下打印，因此打印设备简单且便宜。 
2. 只需很少的流程维护。一旦机器设置得到优化，打印机就可以在无人监管的情况下运行很长时间。
3. 可挤压材料是 3D 打印领域最便宜的材料之一。它们可从众多竞争供应商处获得。
4. 模型可以达到足够的外观和机械标准，可用于广泛的应用。
5. 与其他 3D 打印机相比，FDM/FFF 打印机更便宜，运行费用也更低。这使得它们的价格在所有 3D 打印系统中是最低的。

材料挤压有哪些缺点？

材料挤压的缺点是：

1. 使用材料挤出打印的零件的强度仅为材料典型强度的 20%。这些模型本质上往往很弱。
2. 外观效果往往还有很多不足之处。 FDM 无法在 X-Y 方向或 Z 轴上进行高分辨率打印。更昂贵的设备比较便宜的系统更好。然而，该过程最适合缺乏精细细节并且不需要精确表面光洁度的相对粗糙的模型。 
3. 由于材料在应用时很热，因此许多模型会保留内应力，从而在冷却时导致模型变形。更昂贵的打印机具有加热的构建室，可以帮助减少这种影响。
4. 某些材料的层内粘合相当差。这导致严重的各向异性特性。有些材料比其他材料粘合得更好，但它们的性能总是需要权衡。 

材料喷射和材料挤出有什么区别？

材料喷射和材料挤出有几个不同之处：

1. 流程： 挤出以线条和点的方式施加部分熔化的材料。它的最小点分辨率为直径 0.5 毫米到 1 毫米（取决于打印机和特定的塑料或蜡）。材料喷射工艺的精度要高一个数量级，所采用的液体树脂的点尺寸通常小于 0.05 毫米。
2. 层构造： 基于挤压的系统使用单个涂抹器喷嘴（在任何给定时刻）来构建模型，这限制了构建速度。材料喷射工艺使用宽度达 100 毫米的喷墨打印头，在单次工作台中“绘制”一层的宽条纹。这种额外的宽度使每层的构建速度大大加快。
3. Z 层构建： 基于挤出的系统具有构建相对较厚的层的优点。它们的厚度很少小于 0.1 毫米，厚度通常可达 0.5 毫米。材料喷射层厚度通常为 16 µm 至 50 µm。这意味着需要更多的层来构建 Z 高度，从而使构建总体速度变慢，尽管每层打印速度都很快。
4. 设备成本： 基于挤出的 FDM/FFF 技术很简单，使得该机器成为所有 3D 打印机中最便宜的机器之一。材料喷射精细复杂，设备一般比FDM/FFF贵1-2个数量级。

摘要

本文回顾了材料挤出的概念在 3D 打印技术中的应用。要了解有关材料挤出的更多信息并确定它是否适合您的应用，请联系 Xometry 代表。

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