1. 背景與定義

     材料擠出式3D打印（Material-Extrusion Based 3D Printing, 以下簡(jiǎn)稱(chēng)為ME-3DP）是ASTM F42委員會(huì)定義的7項(xiàng)3D打印子技術(shù)之一。最早的ME-3DP技術(shù)（Fused Deposition Modeling或FDM）由Scott Crump在1989年發(fā)明 [1]，并由此為基礎(chǔ)創(chuàng)立了至今仍然是行業(yè)龍頭的美國(guó)Stratasys公司。

工業(yè)級(jí)塑料3D打印設(shè)備銷(xiāo)售情況（2020年情況，2025年預(yù)測(cè)）

© AMPower

從公司數(shù)量和市場(chǎng)占有率上來(lái)看，F(xiàn)DM/FFF技術(shù)至今仍然是ME-3DP的主要形態(tài)。但ME-3DP也演進(jìn)出了不同的 “技術(shù)變種”，如以大尺寸粒料打印為核心的BAAM（Big Area Additive Manufacturing）技術(shù)，連續(xù)纖維增強(qiáng)打印技術(shù)，和以熱固性材料為主的直寫(xiě)式（Direct Ink Writing或DIW）技術(shù) [2]等。后者（DIW）主要應(yīng)用在功能性材料體系（如水凝膠）和器件的制備中，其成型機(jī)理和其它基于熱塑性高分子材料的ME-3DP技術(shù)有一定差異，產(chǎn)業(yè)化程度也相對(duì)更加有限，因此不在本文討論范圍之中。

本期谷.專(zhuān)欄，作者羅小帆博士、郝明洋博士、黃宇立將主要討論基于熱塑性高分子體系的ME-3DP技術(shù)，以工藝和材料為核心視角，給出對(duì)于目前產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究進(jìn)展和未來(lái)趨勢(shì)分析，以及作者對(duì)于行業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略建議。

 2. ME-3DP的研究進(jìn)展與趨勢(shì)

2.1 錯(cuò)覺(jué)、挑戰(zhàn)和困境

相比其它的3D打印技術(shù)，ME-3DP最早地走入了公眾的視野。在Stratasys核心專(zhuān)利過(guò)期和以RepRap [3]為代表的開(kāi)源硬件社區(qū)驅(qū)動(dòng)下，第一批ME-3DP的創(chuàng)業(yè)公司以低成本，桌面式3D打印機(jī)這一全新形態(tài)出現(xiàn)在了市場(chǎng)中，并以創(chuàng)始不到五年的MakerBot公司被行業(yè)龍頭Stratasys的收購(gòu)為標(biāo)志達(dá)到了第一次高峰。這些設(shè)備外觀(guān)簡(jiǎn)單，成本低廉，也沒(méi)有復(fù)雜的核心器件，從而導(dǎo)致ME-3DP被普遍認(rèn)為是一項(xiàng)較為簡(jiǎn)單的技術(shù)。這一錯(cuò)覺(jué)一直延續(xù)到了現(xiàn)在，甚至存在于大量的行業(yè)從業(yè)者和投資人之中。

塑料增材制造工藝

© 3D科學(xué)谷《3D打印與塑料白皮書(shū)》第二版

和這一錯(cuò)覺(jué)形成鮮明對(duì)比的，是目前ME-3DP行業(yè)略為尷尬的技術(shù)現(xiàn)狀：過(guò)去近十年間產(chǎn)生了不下數(shù)千家新公司，但沒(méi)有任何一家公司在技術(shù)上能夠比肩甚至接近Stratasys，業(yè)界也沒(méi)有看到ME-3DP在材料和工藝技術(shù)上任何系統(tǒng)性的演進(jìn)；ME-3DP工藝失敗率高、打印效率低下、打印件性能波動(dòng)大且難以預(yù)測(cè)和調(diào)控等技術(shù)挑戰(zhàn)仍然普遍存在。行業(yè)中絕大部分新公司做的僅僅是建立在功能取舍上的低成本化，而鮮有公司真正直面ME-3DP的核心技術(shù)挑戰(zhàn)。這一方面導(dǎo)致了資源的極大錯(cuò)配，同時(shí)也讓新興的消費(fèi)級(jí)（終端售價(jià)在數(shù)百美元）和專(zhuān)業(yè)級(jí)（終端售價(jià)在數(shù)千美元）3D打印機(jī)市場(chǎng)迅速地紅海化。

以下現(xiàn)狀可以更形象地說(shuō)明目前ME-3DP產(chǎn)業(yè)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)：

- 在幾乎所有客戶(hù)的實(shí)際打印過(guò)程中，打印工藝開(kāi)發(fā)缺乏任何實(shí)質(zhì)有效的理論指導(dǎo)，在極大程度上依靠于簡(jiǎn)單試錯(cuò)和打印人員的主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)。這導(dǎo)致了極高的工藝失敗率，尤其是針對(duì)大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件。作者曾參與過(guò)一家北美大尺寸FFF打印機(jī)品牌的技術(shù)培訓(xùn)會(huì)議，期間培訓(xùn)師提到了一個(gè)“經(jīng)驗(yàn)法則”：每次成功的打印之前平均會(huì)有四次失敗的嘗試，足見(jiàn)工藝失敗率之高以及對(duì)于試錯(cuò)的依賴(lài)。

- 打印機(jī)、核心部件和材料開(kāi)發(fā)之間既缺乏有效的合作，也無(wú)基于科學(xué)理論和有效標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)模式。以擠出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，擠出系統(tǒng)是ME-3DP的核心組成部件，很大程度上決定了打印設(shè)備的整體性能。但目前擠出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在極大程度上仍然依靠主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)，而不是基于對(duì)擠出過(guò)程的物理表征和分析來(lái)進(jìn)行的。這導(dǎo)致擠出系統(tǒng)對(duì)行業(yè)絕大多數(shù)公司來(lái)說(shuō)接近于“黑盒子”，也因此缺乏實(shí)質(zhì)性的創(chuàng)新和進(jìn)步。大量的打印機(jī)公司（甚至包含一些達(dá)到一定規(guī)模的企業(yè)）甚至缺乏基礎(chǔ)的材料學(xué)知識(shí)和能力。

- 盡管在理論上ME-3DP能夠適應(yīng)大量的材料，但實(shí)際能夠穩(wěn)定應(yīng)用的材料體系卻非常有限。由于缺乏有效的理論和工具，材料工藝開(kāi)發(fā)的周期也相當(dāng)長(zhǎng)。根據(jù)筆者的了解，即使是行業(yè)龍頭Stratasys，新材料打印工藝的開(kāi)發(fā)也需要近一年的時(shí)間。而且工藝開(kāi)發(fā)缺乏普適性，對(duì)于同樣的打印材料，打印工藝在不同設(shè)備甚至是不同的打印模型之間也無(wú)法做到快速適應(yīng)和轉(zhuǎn)換。

這些挑戰(zhàn)彰顯了目前行業(yè)所面臨的內(nèi)卷式困境：由于對(duì)技術(shù)復(fù)雜性和技術(shù)挑戰(zhàn)的錯(cuò)誤判斷，導(dǎo)致了資源的錯(cuò)配，即大量資金和技術(shù)資源并未投入在最需要解決的瓶頸性技術(shù)問(wèn)題上。也正因?yàn)槿绱耍�很多的資源投入并未轉(zhuǎn)化為技術(shù)和行業(yè)所需要的跳躍式發(fā)展，而這一“收益不足”又會(huì)限制和誤導(dǎo)后續(xù)的投入。

但積極的一方面是，在過(guò)去的幾年中學(xué)術(shù)界對(duì)于ME-3DP領(lǐng)域的關(guān)注度和興趣不斷上升，尤其是很多高分子科學(xué)家、數(shù)據(jù)和人工智能科學(xué)家等“非傳統(tǒng)”3D打印研究人員加入到了領(lǐng)域中。這些不同維度的研究不僅給行業(yè)提供了新的工具、方法和思路，更重要的，也驅(qū)動(dòng)了行業(yè)技術(shù)共識(shí)的形成。

接下來(lái)，本文將會(huì)對(duì)部分作者認(rèn)為較為重要的研究方向和成果做簡(jiǎn)要綜述，以期簡(jiǎn)要勾勒出技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和未來(lái)方向。

2.2 ME-3DP的核心技術(shù)挑戰(zhàn)

如前文所述，ME-3DP簡(jiǎn)單的表象掩蓋了其背后多物理場(chǎng)耦合的復(fù)雜工藝過(guò)程。ME-3DP（DIW除外）本質(zhì)上是對(duì)高分子材料的熱加工；與傳統(tǒng)熱加工（如擠出、注塑）類(lèi)似，熱歷史對(duì)于加工過(guò)程和成型件的質(zhì)量與性能有至關(guān)重要的作用。但與這些傳統(tǒng)加工工藝中不同的是，ME-3DP過(guò)程中的溫度場(chǎng)具有較為高度的差異性，具體來(lái)說(shuō)體現(xiàn)在：

(1) 不同設(shè)備與工藝之間的熱歷史差異極大，從使用“標(biāo)準(zhǔn)” 0.4 mm噴嘴的桌面式FFF到大尺寸BAAM打印，其表觀(guān)冷卻速率相差可達(dá)4-5個(gè)數(shù)量級(jí) [4]；

(2) 即使在使用相同設(shè)備的條件下，不同的零件，甚至是同一個(gè)零件上的不同體素（voxel），其熱歷史也可存在巨大的差異 [5]。影響熱歷史的因素眾多，測(cè)量技術(shù)也十分有限，做到預(yù)測(cè)和控制更是挑戰(zhàn)巨大。這一復(fù)雜的熱歷史再與不同高分子的粘彈性、相變行為和微觀(guān)結(jié)構(gòu)（均為溫度的復(fù)雜函數(shù)）等材料特性相互耦合，帶來(lái)了打印件內(nèi)應(yīng)力和界面（層間）融合程度的難以預(yù)知，從而導(dǎo)致了如翹曲、層間開(kāi)裂、外觀(guān)缺陷等各種工藝問(wèn)題甚至是打印失敗。

另一個(gè)ME-3DP和傳統(tǒng)加工技術(shù)的巨大差異是打印件結(jié)構(gòu)和性能的高度耦合。

在絕大部分傳統(tǒng)高分子加工工藝中，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)由模具決定，性能由材料的本征特性決定；換句話(huà)說(shuō)，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能可以進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)控。在ME-3DP中，由于熱歷史的復(fù)雜性和一部分的結(jié)構(gòu)因素，打印件的性能只在很低的程度上反映了材料的本體性能。換句話(huà)說(shuō)，即使材料確定，也無(wú)法有效預(yù)測(cè)打印件的性能；就算材料、工藝參數(shù)都固定，不同的打印件之間的性能也可能存在巨大差異。這顯然無(wú)法滿(mǎn)足很多工業(yè)應(yīng)用的基本需求。在作者某次與美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Lab）的一位研究負(fù)責(zé)人的對(duì)話(huà)中，對(duì)方將這一點(diǎn)視作是3D打印的核心挑戰(zhàn)[i]。

上述這兩點(diǎn)是作者看來(lái)ME-3DP所面臨的最核心的技術(shù)挑戰(zhàn)，也是目前ME-3DP領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)的重要背景。下面作者將以此為出發(fā)點(diǎn)，簡(jiǎn)要綜述目前學(xué)術(shù)、工業(yè)界的研究現(xiàn)狀及一些較為重要成果。

2.3 ME-3DP目前的重要研究方向和成果

2.3.1 材料擠出過(guò)程的表征和研究

材料擠出是ME-3DP的核心工藝過(guò)程，對(duì)這一過(guò)程的表征和研究能夠有效地指導(dǎo)擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和材料開(kāi)發(fā)，因此是非常重要的領(lǐng)域。但ME-3DP的材料擠出機(jī)構(gòu)一般都較小，直接的表征和測(cè)試手段較為有限，因此很多工作都選擇了理論計(jì)算和模擬作為研究工具。Bellini等 [6] 在2004年就推導(dǎo)過(guò)擠出系統(tǒng)流道中三個(gè)特征區(qū)域的壓力降方程，但推導(dǎo)過(guò)程做了較多的簡(jiǎn)化，例如完全沒(méi)有考慮傳熱過(guò)程，也欠缺和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比檢驗(yàn)。這一領(lǐng)域的研究在近年隨著ME-3DP技術(shù)應(yīng)用的不斷廣泛吸引了更多的研究者 [7]。從理論層面，新的研究加入了更完善的傳熱模型 [8, 9, 10]和高分子流變理論 [11, 12, 13, 14]。從表征層面，也引入了較多新的實(shí)驗(yàn)方法。比如通過(guò)對(duì)不同擠出工藝參數(shù)（如加熱塊溫度、擠出速度等）下擠出力的測(cè)量，已經(jīng)可以獲得很多關(guān)于擠出過(guò)程中傳熱和流變過(guò)程的信息，也能在一定程度上對(duì)工藝開(kāi)發(fā)和材料篩選做出指導(dǎo) [15, 16]。但ME-3DP擠出機(jī)構(gòu)的封閉性也導(dǎo)致了直接、在線(xiàn)式的觀(guān)察和測(cè)量會(huì)比較困難，往往需要一些實(shí)施代價(jià)不低的實(shí)驗(yàn)方法：例如Peng等 [17] 使用了加入到線(xiàn)材中的染料顆粒和直接插入噴嘴流道中的熱電偶，間接測(cè)量了擠出過(guò)程的速度場(chǎng)與溫度歷史。但即使這樣獲得的信息也相對(duì)有限，尤其很難對(duì)非穩(wěn)態(tài)（non-steady state）的行為表征充分；而非穩(wěn)態(tài)行為在實(shí)際的打印過(guò)程中非常重要，甚至占據(jù)主要地位（這一點(diǎn)也是和以穩(wěn)態(tài)為主的傳統(tǒng)高分子加工的主要差異之一）。除此之外，新的研究中也包含了對(duì)ME-3DP擠出過(guò)程中一些特異性現(xiàn)象的表征，比如線(xiàn)材外徑和擠出流道內(nèi)徑差值所導(dǎo)致的返流（back flow）現(xiàn)象 [13]，進(jìn)料齒輪和線(xiàn)材之間的微打滑（micro slippage）現(xiàn)象 [18]，擠出熔體表面破裂導(dǎo)致的“鯊魚(yú)皮”（sharkskin）現(xiàn)象 [19]，口模脹大現(xiàn)象 [16, 20]，用于快速卸載口模壓力的線(xiàn)材回抽（retraction） [21]等。

即使有了這些新的研究成果，目前對(duì)于ME-3DP擠出過(guò)程的整體研究還屬于較為初期的階段，對(duì)具體產(chǎn)業(yè)的影響力比較有限。

一方面，目前行業(yè)內(nèi)尚未形成統(tǒng)一的理論框架，擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)還是依靠經(jīng)驗(yàn)為主，很少有基于科學(xué)理論的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，很多擠出過(guò)程中非常重要的現(xiàn)象也缺乏深入研究。以線(xiàn)材回抽為例，回抽的有效性對(duì)于打印質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，但目前對(duì)這一過(guò)程的認(rèn)知還相當(dāng)有限。

有很多問(wèn)題業(yè)界還無(wú)法充分回答，例如：回抽的有效性與高分子熔體的哪些粘彈性特性有關(guān)？如何根據(jù)材料特性設(shè)計(jì)合適的回抽條件（速度、距離）？擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)會(huì)如何影響不同材料回抽的有效性？未來(lái)的研究工作還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。

(責(zé)任編輯：admin)

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