趙　翀　鄧曉波　郝晨暉　王　婷　趙鳳霞（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南　鄭州 450002）

Stratasys公司FDM-3D打印專利技術(shù)綜述

趙翀鄧曉波郝晨暉王婷趙鳳霞
（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州 450002）

本文對Stratasys公司FDM-3D打印專利申請進(jìn)行了介紹，主要從Stratasys公司的專利發(fā)展脈絡(luò)、申請量變化等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，綜述了FDM-3D打印的成型機(jī)理，并根據(jù)Stratasys公司對FDM-3D打印的專利申請的主要改進(jìn)點(diǎn)進(jìn)行專利梳理，發(fā)掘FDM領(lǐng)域及其相關(guān)領(lǐng)域的重點(diǎn)專利技術(shù)，為我國的FDM成型研究提供一定的參考。

FDM Stratasys公司；液化器；支撐結(jié)構(gòu)；打印絲；打印方法

1　研究概況

1.1研究背景、內(nèi)容和目的

上世紀(jì)八十年代，快速成型制造技術(shù)（Rapid Prototyping and Manufacturing，RPM）問世，在短短的幾十年間，關(guān)于快速成型制造技術(shù)的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域得到了高速發(fā)展。雖然快速成型制造技術(shù)得到了長足的發(fā)展，但很顯然，國內(nèi)外對其研究還不成熟，尚有眾多改進(jìn)余地，尤其是高昂的制造成本大大限定了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）則是RPM技術(shù)中大量應(yīng)用的一種，由于FDM［1］是RPM中唯一一種不需要激光器的成型方式，這種成型機(jī)的價(jià)格最低，近年來，國內(nèi)外各大企業(yè)、高校針對FDM成型技術(shù)做了大量的研究工作，但目前FDM成型產(chǎn)品還存在諸如較大的翹曲變形、較低的產(chǎn)品尺寸精度、較低的致密度和表面光潔度等，這就需要深入的分析和研究FDM成型過程的機(jī)理和它的產(chǎn)品零件的密度、強(qiáng)度、精度的影響因素。

而Stratasys公司是FDM成型技術(shù)的全球領(lǐng)跑者，已在全球安裝了大量的原型和直接數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)，其數(shù)量之多沒有其他任何一家公司能及。公司通過為原型創(chuàng)造性地推出產(chǎn)品級材料，引導(dǎo)Real PartsTM的直接數(shù)字化生產(chǎn)，從而成為技術(shù)革新的佼佼者。Stratasys公司目前占有41％的市場份額，已經(jīng)連續(xù)5年在市場上領(lǐng)跑［2］。

本文主要通過對Stratasys公司針對FDM成型領(lǐng)域的專利申請進(jìn)行詳細(xì)分解，理清該公司在FDM領(lǐng)域的技術(shù)脈絡(luò)，發(fā)掘FDM領(lǐng)域及其相關(guān)的領(lǐng)域的重點(diǎn)專利技術(shù)，為我國的FDM成型研究提供一定的參考。

1.2FDM-3D打印技術(shù)研究概況

FDM工藝由美國學(xué)者Scott Crump博士于1988年率先提出，隨后于1991年開發(fā)了第一臺(tái)商用成型機(jī)。FDM成型機(jī)主要包括液化器（噴頭）、絲材供給裝置、液化器移動(dòng)控制部、加熱工作室、工作臺(tái)等部件組成。

目前相關(guān)研究主要在以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

熔絲材料：通常采用熱塑性材料，而隨著研究的深入，愈來愈多的新材料被研發(fā)出來，例如，1998年澳大利亞Swinbum工業(yè)大學(xué)，研究了金屬-塑料復(fù)合材料絲；提高了材料的強(qiáng)度和硬度；1999年，Stratasys公司開發(fā)出水溶性支撐材料；近年，Stratasys公司開發(fā)的多彩混合材料等。

軟件：Stratasys公司開發(fā)針對FDM的QuickSlice、針對Genisys系統(tǒng)的AutoGen3.0軟件包；Helisys公司開發(fā)了面向Windows的LOMSlice軟件；Solid Concepts公司開發(fā)了SolidView3.0軟件。

液化器：液化器是FDM成型機(jī)中最為復(fù)雜的部分，目前，Stratasys公司為主要的研究者。

國內(nèi)進(jìn)行FDM成型研究的機(jī)構(gòu)主要有清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京隆源自動(dòng)成形系統(tǒng)有限公司、北京航空工藝研究所和上海富奇凡機(jī)電科技有限公司等。

1.3FDM-3D打印技術(shù)應(yīng)用概況

FDM成型工藝既能用在零件的概念設(shè)計(jì)與造型、功能試驗(yàn)場合，又能夠直接用在零件設(shè)計(jì)與制造、工具（模具）設(shè)計(jì)以及機(jī)械設(shè)計(jì)等方面，具體為：

（1）零件設(shè)計(jì)制造與功能試驗(yàn)，航空航天、汽車工業(yè)、模具制造等；

（2）醫(yī)學(xué)方面，例如假肢的設(shè)計(jì)與加工等；

（3）藝術(shù)品加工制作，裝飾品等；

（4）單件、小批量和特殊復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)。

2　FDM-3D打印技術(shù)專利申請概況

2.1申請趨勢以及技術(shù)分支分布

對于Stratasys公司歷年專利申請量進(jìn)行分析，由圖1可知，申請量呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，這是由于3D打印技術(shù)一經(jīng)推出便成為研究熱點(diǎn)，然而由于打印成本高昂且技術(shù)儲(chǔ)備不足導(dǎo)致其應(yīng)用范圍較窄，因而在2001年后專利申請量有所回落，而后期由于技術(shù)進(jìn)步克服相關(guān)瓶頸導(dǎo)致成本降低以及人們對桌面級打印機(jī)市場廣泛需求，導(dǎo)致申請量大幅增加。

圖1　各年份專利申請量情況

圖2　技術(shù)分支專利申請量分布

參見圖2，筆者將Stratasys公司的專利技術(shù)分布做了以下歸類，總體而言，可以分為四個(gè)技術(shù)大類，分別為液化器、打印方法、打印絲材和支撐結(jié)構(gòu)。其中因?yàn)橐夯魇荈DM成型裝置最為重要的結(jié)構(gòu)部分，因此針對液化器的改進(jìn)的專利申請數(shù)量最多，其次打印方法和打印絲材的改進(jìn)的專利申請數(shù)量相當(dāng)，緊隨其后，最后是支撐材料的改進(jìn)。目前，液化器的改進(jìn)點(diǎn)主要集中在液化器結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)和傳感器等輔助手段的進(jìn)一步應(yīng)用以及液化器的清潔等方面，其中以液化器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)專利申請量最多；打印方法的改進(jìn)點(diǎn)主要集中在提高打印的精度和效率方面；打印絲材的改進(jìn)點(diǎn)主要是絲材本身材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及送絲機(jī)構(gòu)的改進(jìn)；支撐材料的改進(jìn)點(diǎn)主要在于支撐材料本身材質(zhì)以及支撐材料成型方法和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。以上內(nèi)容將在下一部分進(jìn)行展開描述。

3　重點(diǎn)技術(shù)分析

3.1液化器的改進(jìn)研究

液化器是FDM成型機(jī)中最為復(fù)雜的部分，直接影響三維制品的最終成型精度和質(zhì)量。經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，參見圖3，Stratasys主要通過以下方面對液化器進(jìn)行改進(jìn)：

3.1.1液化器的清潔

FDM在成型時(shí)，絲材在液化器中加熱熔融，不斷從液化器中噴出，逐層打印形成制品，在打印的過程中，可能需要液化器切換打印，亦或者在每層打印完成后都會(huì)進(jìn)行停車固化，此時(shí)，液化器中的熔融絲材不再進(jìn)行加熱，逐漸冷卻固化，如果不進(jìn)行清理，往往會(huì)堵塞液化器頭，造成打印過程的中斷或打印質(zhì)量的下降。US2014252684A1給出了一種典型的液化器清潔手段，其公開了利用多個(gè)液化器進(jìn)行切換用于打印三維部件的層以及支撐結(jié)構(gòu)的層，在三維部件和支撐結(jié)構(gòu)的層的打印過程中，在待機(jī)模式和操作模式之間切換液化器，同時(shí)在工作臺(tái)上打印凈化塔（利用打印材料在工作臺(tái)上打印出于支撐材料和三維部件相似的用于擦拭液化器的三維構(gòu)件），凈化塔被構(gòu)造成立體三維機(jī)構(gòu)，并且在Z軸上，下層面積大于上層面積，可避免晃動(dòng)，這種清潔的好處是，在待機(jī)模式下可以利用打印凈化塔來排出已經(jīng)固化的絲材，同時(shí)，在切換到操作模式之前，可以利用凈化塔對液化器進(jìn)行擦拭。

圖3　FDM液化器改進(jìn)路線圖

3.1.2液化器的定位

液化器的位置對于打印三維制品來說是十分重要的，通過改進(jìn)的定位手段，一是能夠保證位置的精確性，二是能夠縮短位移所需的時(shí)間。TW474864B公開了一種利用磁性將液化器懸浮的手段，液化器被磁性的懸浮于一定子板下且其借由一流體軸承而與蓋定子板隔開，供給該液化器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電磁力驅(qū)動(dòng)以在高速下將液化器沿X和Y方向移動(dòng)，并提供一個(gè)與該液化器連接的腳狀件提供機(jī)械式緩動(dòng)其可降低擠出頭移動(dòng)期間的諧振，使得液化器的位置可被精確及可靠的加以控制。US2015137402A則公開了一種利用偏心彈簧懸裝在打印表面的上方，并利用機(jī)器人自動(dòng)切換液化器的裝置。

3.1.3液化器的結(jié)構(gòu)

液化器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)一直是Stratasys研究的重點(diǎn)，液化器料筒的形狀和尺寸、出料口的截面、加熱器和傳感器的分布等因素均有涉及，其中US2014120197A1（2014）公開了一種液化器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，彎月面干燥效應(yīng)、加熱及材料膨脹、長絲直徑變化均會(huì)改變液化器組件的擠出速率及流動(dòng)控制，可能產(chǎn)生劣等的模型制品，通過改善液化器組件，使液化器組件由階梯式兩部分組成，該階梯式液化器組件包括上游部分及下游部分，其中上游部分內(nèi)部橫截面積比下游部分小。經(jīng)兩個(gè)橫截面積之間的肩部配置，限制可消耗材料熔融彎月面的移動(dòng)，改善3D模型結(jié)構(gòu)減少構(gòu)建時(shí)間，同時(shí)可在該基礎(chǔ)上做出各種變形，例如上游部分或下游部分的襯套管可以使用多層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部層可以具有較低的摩擦系數(shù)，方便長絲的輸送，或者改變熱膨脹系數(shù)，以抵御長絲輸送速率的改變而引起的擠出速率及流動(dòng)控制的變化。US2015097307A1（2015）公開了一種在液化器周圍設(shè)置一個(gè)或多個(gè)加熱元件，并設(shè)置多個(gè)熱敏電阻，同時(shí)設(shè)置多個(gè)傳感器，以用于動(dòng)態(tài)控制流速的液化器結(jié)構(gòu)。US2009035405A1（2009）公開了一種液化器結(jié)構(gòu)，液化器的切換涉及液化器的部件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，多次切換可能引起對一個(gè)或更多個(gè)部件的磨損和未對準(zhǔn)。這樣的磨損和未對準(zhǔn)可以降低所獲得的3D目標(biāo)和支撐結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和精度。液化器要求在延長的使用周期內(nèi)具有好的耐用性和可靠性。該種液化器包括至少一個(gè)安裝結(jié)構(gòu)；第一液化器泵，所述第一液化器泵被固定于所述至少一個(gè)安裝結(jié)構(gòu)上；第二液化器泵，所述第二液化器泵被靠近第一液化器泵設(shè)置；切換機(jī)構(gòu)，所述切換機(jī)構(gòu)被所述至少一個(gè)安裝結(jié)構(gòu)支撐，并被配置以沿第一軸線相對于所述第一液化器泵移動(dòng)所述第二液化器泵；和槽接合組件，所述槽接合組件與所述第二液化器泵部分地相連接，以限定所述第二液化器泵沿所述第一軸線的運(yùn)動(dòng)范圍。

CN102548736A（2011）公開了一種帶狀液化器結(jié)構(gòu)，包括外液化器部分，所述外液化器部分被構(gòu)造成從熱傳遞部件接收熱能；和通道，所述通道至少部分地由所述外液化器部分限定，所述通道具有入口端和出口端，所述入口端具有被構(gòu)造成容納帶狀細(xì)絲的尺寸，其中所述帶狀液化器被構(gòu)造成通過接收的熱能使容納在所述通道中的所述帶狀細(xì)絲熔化到至少可擠出狀態(tài)以提供熔融流，并且其中所述通道的尺寸還被構(gòu)造成使所述熔融流在所述通道中符合軸向不對稱流，和擠出端，所述擠出端在通道的出口端處從所述外液化器部分延伸，其中所述擠出端的尺寸被構(gòu)造成使所述熔融流從在所述通道中的軸向不對稱流變?yōu)榛旧陷S向?qū)ΨQ流，以從所述擠出端擠出；其中帶狀細(xì)絲的未熔化部分用作作用于帶狀細(xì)絲的未熔化部分與通道的壁之間的熔融流上的具有粘性泵的活塞，導(dǎo)致熔融流流出擠出端。

US2009273122A1（2009）公開了一種具有溫度梯度的液化器，該液化器有熱塊，從熔絲入口到熔絲出口，熱塊沿液化器管側(cè)壁軸向方向產(chǎn)生溫度梯度。

3.1.4液化器控制程序

CN155306A公開了一種液化器控制程序，從管嘴擠出的材料的流速是細(xì)絲被推至液化器出料口的速度的函數(shù)。通過控制細(xì)絲推進(jìn)入液化器的速度來控制流速?？刂破骺刂茢D壓頭在水平x，y平面中的移動(dòng)，控制基體在垂直z方向的移動(dòng)，并且控制進(jìn)給輥推進(jìn)細(xì)絲的速度。通過同步控制這些過程變量，造型材料沿著CAD模型定義的工具路線層層地沉積成“串珠（beads）”。利用恒定的沿工具路線的擠壓頭速度，串珠寬度保持相當(dāng)?shù)囊恢?，但是在工具路線的始點(diǎn)和終點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生誤差，例如在“接合（seam）”處（也就是封閉環(huán)工具路線的始點(diǎn)和終點(diǎn)）。相比于現(xiàn)有技術(shù)中的可變速系統(tǒng)引入了更大的串珠寬度誤差，并且有接合誤差。希望在使可變速率系統(tǒng)的生產(chǎn)量較高的同時(shí)，減小串珠寬度誤差和接合質(zhì)量誤差，以便獲得所需的擠壓輪廓。

US2015343688A1公開了一種液化器快速回位方法，在多點(diǎn)水平測量中，液化器需要返回到初始高度，如果打印材料是塑料的話，水平測量通常需要等到液化器冷卻下來，塑料固化之后，液化器很久才能回位，現(xiàn)在提供一種非熔化接觸點(diǎn)，以保證液化器溫度很高時(shí)即可回位。計(jì)算4次z軸初始高度，計(jì)算補(bǔ)償值，加熱液化器，清潔液化器。

3.2支撐材料的改進(jìn)研究

在三維立體成型過程中，由于未被固化的部分材料仍為液態(tài)，它不能使制件截面上的孤立輪廓和懸臂輪廓定位，因此，對于這樣一些結(jié)構(gòu)，必須在制作前對其施加支撐，而支撐材料除了能夠確保原型的每一結(jié)構(gòu)部分都能可靠固定之外，還有助于減少原型在制作過程中發(fā)生的翹曲變形，圖4顯示了支撐材料的改進(jìn)路線圖，改進(jìn)主要從材料本身，成型方法和移除裝置等三面進(jìn)行。

圖4　FDM支撐材料改進(jìn)路線圖

3.2.1支撐材料的改進(jìn)

為了支撐三維制品模型，支撐材料必須粘附到制品材料上。同時(shí)，由于支撐材料為支撐制品的基礎(chǔ)層，支撐材料應(yīng)同樣可拆除地粘附到制品材料上。制品坐落在支撐材料上后，如何將支撐材料從制品上移除而不損壞制品一直是一個(gè)難以解決的技術(shù)問題。US2003004600A1公開了一種用于三維模型制品打印的材料和方法，它通過沉積含有約0.5至10重量百分比硅氧烷的熱塑性塑料組合物的多層來成型支撐結(jié)構(gòu)。其中硅氧烷起脫模劑的作用，促進(jìn)三維模型制品建成后從中拆除支撐結(jié)構(gòu)。硅氧烷脫模劑還表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，促進(jìn)該材料在高溫建造環(huán)境中的使用，硅氧烷還可保護(hù)三維模型制作裝置的擠出頭或噴射頭噴嘴，避免產(chǎn)生材料堵塞，與極高粘度的硅氧烷相比，中等粘度的硅氧烷是一種更好的脫模劑，其中6萬厘沲為中等粘度，5千萬厘沲為極高粘度。在基礎(chǔ)聚合物中加入少量的硅氧烷削弱了基礎(chǔ)聚合物與打印制品材料之間的粘接，從而使聚合物可用來形成可從模型脫離的支撐結(jié)構(gòu)。CN1347363A公開了一種包含羥酸的基礎(chǔ)聚合物和一種塑化劑的堿性可溶熱塑性材料，通過將支撐結(jié)構(gòu)放入堿性熔池中熔化而使之從完成的模型上移去。CN1552017A公開了一種包含選自聚亞苯基醚和聚烯烴的混合物、聚苯砜和無定形聚酰胺的混合物、聚苯砜和聚砜以及無定形聚酰胺的混合物的支撐材料，所述支撐材料是自層合的、形成與造型材料的弱的易分開的粘合、并且具有在造型材料的熱撓曲溫度的20℃內(nèi)的熱撓曲溫度，所述粘合使得能夠?qū)⒅尾牧蠌乃鋈S物體中分離出來而不損害所述三維物體。

3.2.2支撐材料成型方法的改進(jìn)

快速成型技術(shù)中制品和支撐結(jié)構(gòu)一般均是從下向上逐層打印成型，如果制品有凹凸等結(jié)構(gòu)，例如凸出部分，這種結(jié)構(gòu)一般處在懸空狀態(tài)，需要設(shè)置支承結(jié)構(gòu)，否則在打印的過程中容易產(chǎn)生坍塌，但是支承結(jié)構(gòu)會(huì)增加制造的復(fù)雜性并且限制制品的尺寸。EP0666163A2公開了一種利用搭接技術(shù)來成型支撐結(jié)構(gòu)的方法：它通過電腦輔助系統(tǒng)逐層打印，擠出設(shè)備通過噴嘴擠出熔融塑料；通過控制噴頭在x-y平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而生成CAD預(yù)設(shè)的模型中的一層，第一層完成后噴頭向上運(yùn)動(dòng)，完成第二層的擠出成型，直到支撐結(jié)構(gòu)成型。通過搭接技術(shù)，減少支承結(jié)構(gòu)材料的的使用和加工時(shí)間，并減少制件的后處理時(shí)間，并且搭界技術(shù)的運(yùn)用可以直接形成二維平面，而不用分層制造之后疊加。EP1177098A1公開了一種使用3軸定位熱塑性擠出機(jī)成型支撐材料的方法，其通過逐行逐列的將液珠沉積到相鄰的液珠上，能夠保證擠出液珠的垂直高度至少與水平高度的尺寸一致。從而，其在熔絲沉積快速成型過程中，加快了成型的速度，減少了花費(fèi)并且減少了零件制造時(shí)支承結(jié)構(gòu)的數(shù)量。

3.2.3支撐材料移除裝置的改進(jìn)

三維打印中使用的支撐材料通常分為兩種類型：能夠移除的支撐材料和可溶性的支撐材料。能夠移除的支撐材料可以用手或者使用工具從得到的三維零件中移除。與之對比，可溶性支撐材料能夠溶解在水溶液中?？扇苄灾尾牧侠硐氲娜芙庑枰訜岷蛿嚢?，目前市售的支撐材料移除槽已十分成熟，可以用來溶解支撐材料。US2013075957A1公開了一種支撐結(jié)構(gòu)的移除裝置，它包括：（1）一個(gè)槽，其具有一個(gè)頂部開口的用來盛放流體水的槽的本體；一個(gè)通過槽的本體來支撐的多孔板，三維零件通過槽頂部的開口插入放入多孔板中；一個(gè)多孔板下方的旋轉(zhuǎn)葉輪；（2）第二個(gè)組成包括用來接收槽的平面，表面下的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)裝置，當(dāng)槽放置在平面上時(shí)，旋轉(zhuǎn)感應(yīng)裝置帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使流體水通過多孔板流入槽中。通過將成型后的三維零件和支撐材料放入槽中，葉輪通過轉(zhuǎn)動(dòng)使水溶液從多孔板進(jìn)入槽內(nèi)部，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)支撐材料的溶解。

3.3打印絲材以及送絲機(jī)構(gòu)的研究

經(jīng)過對stratasys公司基于FDM技術(shù)3D打印專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其主要通過以下方面對打印絲材以及送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)：熔絲材料類型改進(jìn)、熔絲材料結(jié)構(gòu)改進(jìn)、送絲機(jī)構(gòu)改進(jìn)、送絲工藝改進(jìn)，參見圖5。

圖5　FDM打印絲材及送絲機(jī)構(gòu)改進(jìn)路線圖

3.3.1熔絲材料類型改進(jìn)

三維物體的構(gòu)成材料通常表現(xiàn)出非牛頓流動(dòng)特性，即構(gòu)成材料在擠出流動(dòng)的初始啟動(dòng)階段抵抗移動(dòng)。因此，許多3D物體共有的問題是由于非牛頓流動(dòng)特性所導(dǎo)致的擠出頭的響應(yīng)時(shí)間的限制。這種限制可能降低沉積精確度，并且特別是可以看到其中每層所沉積的構(gòu)成材料的量相對較小的微細(xì)部件結(jié)構(gòu)。因此，需要改善用于沉積構(gòu)成材料的擠出頭的響應(yīng)時(shí)間的構(gòu)造3D物體的方法。美國專利US2009295032A1中使用改性ABS材料制備打印絲，其具有改善的響應(yīng)時(shí)間，由此改善沉積工藝的精確度，另外，改性ABS材料能夠?yàn)?D物體提供優(yōu)良的層間粘附力和零件強(qiáng)度，其通過將改性ABS材料送入基于擠壓的分層沉積系統(tǒng)的擠出頭，在改善擠出頭的響應(yīng)時(shí)間的條件下，在擠出頭中熔化所送入的改性ABS材料，以及以逐層的方式沉積所熔化的改性ABS材料，以形成3D物體。此外為了提高打印物體的強(qiáng)度，CN1784295A中則使用高強(qiáng)度PPSF/PC混合熱塑性材料作為打印絲材，這種熱塑性材料表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，能夠防止在三維造型設(shè)備的噴嘴中積聚，具有很高的耐化學(xué)性，并且由這種材料制成的模型表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度。而US2001025073A1中則使用高強(qiáng)度材料PEO用于成型，這個(gè)高強(qiáng)度材料可以容易的融化擠出形成層狀物并且隨后可以冷卻固化使復(fù)雜形狀的零件能夠自由準(zhǔn)確的組裝，且能夠按順序的一層層的疊加使制品成型；高強(qiáng)度材料能夠在擠出設(shè)備中作為支承材料來阻止熔融沉積材料層的松垮，同時(shí)保證復(fù)雜制品的幾何精度，而WO2015054021A1中則使用熱塑性纖維和礦物晶須增強(qiáng)的熱塑性彈性體作為打印絲材料，進(jìn)一步提高了打印件的打印強(qiáng)度。

3.3.2熔絲材料結(jié)構(gòu)改進(jìn)

隨著技術(shù)的發(fā)展，單純依靠改變材料類型進(jìn)而提升打印絲打印性能以及三維打印件的性能遇到瓶頸，尤其是在提升打印絲打印性能方面，基于此CN102548737A介紹了一種基于擠出的數(shù)字制造系統(tǒng)中使用的造型材料和支撐材料的非圓柱形細(xì)絲以及用于制造所述非圓柱形細(xì)絲的方法和系統(tǒng)，該方法中使用非圓柱形細(xì)絲，這種非圓柱形細(xì)絲在具有相同體積流量的情況下與由圓柱形液化器熔化并擠出的圓柱形細(xì)絲相比能夠以減少的響應(yīng)時(shí)間由非圓柱形液化器熔化并擠出的消耗材料。這有利于提高沉積精度并減少構(gòu)建時(shí)間，從而增加用于構(gòu)建3D模型和相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)的過程效率，同樣的CN102548736A中則介紹了一種使用帶狀細(xì)絲的打印方法，其同樣具有上述效果。此外，US2012231225A1中提出了一種雙層絲材結(jié)構(gòu)，其內(nèi)層芯為第一熱塑性材料，外殼為第二熱塑性材料，打印時(shí)按照絲的橫截面設(shè)計(jì)打印路線，能夠改善打印過程中的翹曲變形，減少變形，內(nèi)應(yīng)力以及半結(jié)晶材料的下垂，而US2012037329A1中則使用具有不同結(jié)晶溫度的內(nèi)芯與外殼材料從而防止打印時(shí)的翹曲變形，而US2011233804A1中則提供了一種表面帶有編碼標(biāo)記的打印絲材，上述帶編碼的絲材通過光學(xué)傳感器輸送，從而大幅提高送絲精度。

3.3.3送絲機(jī)構(gòu)改進(jìn)

送絲機(jī)構(gòu)是3D打印機(jī)的關(guān)鍵部件，US2010096485A1中公開了一種熔絲供給容器，具有從線圈處的導(dǎo)向支撐熔絲的熔絲通道，使用傳感器用以探測熔絲是否通過，從而提高送絲精度，而CN1386089A中則提供了一種氣密的絲料盒，絲料盒包括一個(gè)纏繞細(xì)絲的旋轉(zhuǎn)卷盤和細(xì)絲可由其中穿過絲料盒的出口。絲料盒接受器用于接受絲料盒，安裝在模型成型機(jī)的裝填艙中。絲料盒接受器包括一個(gè)用于接受來自絲料盒的細(xì)絲的管道和用于將細(xì)絲通過管道進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)裝置，這種封閉性結(jié)構(gòu)能夠防止絲料受潮或污染，從而大幅提高打印精度，而US2014117585 A1中則提供了一種帶有標(biāo)簽的儲(chǔ)絲圈，其通過設(shè)置帶有數(shù)字標(biāo)簽的多個(gè)儲(chǔ)料筒或儲(chǔ)絲線圈，通過讀取器上的數(shù)字信息來決定如何使用打印材料打印三維物體，從而初步實(shí)現(xiàn)了送絲機(jī)構(gòu)的智能化控制。

3.3.4送絲工藝改進(jìn)

一般情況下，在送絲機(jī)構(gòu)確定以后，其送絲工藝也容易確定，因而關(guān)于送絲工藝的專利文獻(xiàn)較少，其涉及到送絲過程中的參數(shù)控制。如US5866058A中公開了一種提高打印質(zhì)量的方法，其通過合理設(shè)置打印環(huán)境溫度以防止打印件產(chǎn)生幾何畸變，具體的其在沉積溫度下連續(xù)的擠出熱固性材料到環(huán)境中，并且控制新擠出材料附近的環(huán)境的溫度保持在材料的固化溫度和蠕變溫度之間，隨后新擠出材料在固化溫度之下逐漸冷卻，但是仍然保持幾何形狀的溫度梯度在理想的幾何精度所需的溫度梯度的最大值之下，通過該打印過程防止產(chǎn)品產(chǎn)生畸變，而US2014265040A1則公開了一種檢測熔絲流速的裝置，其利用監(jiān)測裝置控制擠出熔融絲料的流速，例如光學(xué)元件，利用傳感器調(diào)控流速達(dá)到控制擠出速度的目的。

3.43D打印方法研究

經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，參見圖6，目前打印方法的研究主要針對打印精度和打印效率兩方面進(jìn)行改進(jìn)，而隨著計(jì)算機(jī)和傳感技術(shù)的日益成熟，利用計(jì)算機(jī)對打印物體進(jìn)行優(yōu)化的網(wǎng)格劃分，并利用傳感器對打印器械進(jìn)行在線監(jiān)測已成為主流。

3.4.1對打印精度的改進(jìn)

三維打印粒子材料在堆疊過程中包括與計(jì)算機(jī)輔助CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)形成響應(yīng)，而三維打印過程中的粒子堆疊的精確性對三維成品的質(zhì)量具有很大的影響，因此需要改善粒子材料堆疊的精度，美國專利US5491643A中，通過在至少一維平面中確定所需成型制品的特征，將所表征的制品的特征參數(shù)在一空間中連續(xù)成統(tǒng)一的整體，再選擇制品預(yù)設(shè)部分的理想的參數(shù)特征值所表示的區(qū)域中的坐標(biāo)值進(jìn)行打印，可以使粒子材料能夠更精確的按照制品的預(yù)設(shè)形狀進(jìn)行打印，提高了打印精度。

三維打印機(jī)的部件會(huì)隨著時(shí)間的增加而老化，會(huì)變的凹陷、彎曲、擠出頭的對準(zhǔn)度下降，三維打印機(jī)這些缺陷的存在會(huì)降低打印精度，美國專利US2014117575A1采用一種數(shù)字智能的打印方法，利用熔絲沉積或熔融沉積制造平面層狀材料，利用檢測裝置檢測擠出頭或打印頭與工件之間的接觸力，或者平整度等，由此轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)控制打印過程，從而保證打印質(zhì)量。

對3D打印機(jī)更換擠出端部，需要重新進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)程序包括校準(zhǔn)Z軸端部導(dǎo)基板的位置偏移，以在建造模型之前保證系統(tǒng)獲得擠出端部和基板之間的空間關(guān)系，若校準(zhǔn)不準(zhǔn)確則會(huì)使打印精度下降，中國專利CN101460290A提供一種不需要操作者干涉或判斷的在三維成型機(jī)中執(zhí)行校準(zhǔn)程序的方法，以自動(dòng)校準(zhǔn)擠出端部，提高了校準(zhǔn)的可靠性，節(jié)省了時(shí)間，通過控制器控制建造的每層的高度和位置，使其在限定的位置表示三維結(jié)構(gòu)的材料建造輪廓。然后，確定材料建造輪廓的相對位置。標(biāo)識(shí)期望的建造輪廓，然后與材料建造輪廓的確定的相對位置比較，以標(biāo)識(shí)表示位置偏移的任何差異。然后，成型系統(tǒng)根據(jù)位置偏移定位沉積裝置。

圖6　FDM打印方法改進(jìn)路線圖

3.4.2三維打印的網(wǎng)絡(luò)化

如今網(wǎng)絡(luò)發(fā)展越來越快，通過網(wǎng)絡(luò)對3D打印進(jìn)行控制可以更好的制造出遠(yuǎn)程用戶所需要的制品，對3D打印的發(fā)展具有重要的意義。中國專利CN104203547A提出可以采用將三維打印機(jī)和網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，通過設(shè)置在三維打印機(jī)上的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口，和被定位成從一視點(diǎn)捕捉構(gòu)造容積的視頻的視頻攝像機(jī)，以及被配置成通過網(wǎng)絡(luò)接口接受三維模型并且控制三維打印機(jī)的操作以便將三維打印模型制作呈三維打印機(jī)的構(gòu)造容積內(nèi)的對象的處理器，其中處理器可以通過接口，呈現(xiàn)來自攝像機(jī)的構(gòu)造容積的圖像和三維模型的二維投影，通過該圖像的分析，可以用來預(yù)測進(jìn)展來進(jìn)行跟蹤，以便識(shí)別打印過程中的各種因素的干擾。

美國專利US8818544B2提供了一種計(jì)算支撐材料體積的方法，以計(jì)算機(jī)為擠出建立樹狀數(shù)據(jù)單元網(wǎng)格，該單元網(wǎng)格定義為大量的單元陣列，通過使用固體認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)（SIG）的計(jì)算機(jī)程序，能夠快速的計(jì)算出3D打印制品所需的支撐材料的體積。

3.4.3對打印速率的改進(jìn)

在連續(xù)粒子擠出快速打印過程中，熔融的粘性粒子很難填滿120°的轉(zhuǎn)角，并且粒子在熱熔區(qū)會(huì)和其他物質(zhì)如空氣中的水和氧氣反應(yīng)，使打印出每一層的粒子材料的性質(zhì)均不相同，且粒子材料在擠出后會(huì)發(fā)生收縮，而這些問題均和打印速度有關(guān)。美國專利US2013009338A采用控制材料的層疊速率來改變?nèi)S制品的表面織構(gòu)等其他表面特征，從而得到非均勻表面織構(gòu)的三維制品，從而改善三維制品的表面質(zhì)量。

美國專利US2014048970A1中材料擠出速率按照預(yù)定路線跟隨擠出路徑的變化進(jìn)行調(diào)整，從而改善三維打印表面質(zhì)量。

中國專利CN1386089A通過在擠壓機(jī)上設(shè)置增壓級，從而使物料從管嘴擠出的速率和被擠壓物粘度增大的能力同時(shí)增加，擠出速率增大就使有形零件能更快地制成，粘度增大的能力增加使制出的有形零件具有更多所需的機(jī)械性能，同時(shí)減小被擠壓物的橫截面積以達(dá)到較好的性能。

美國專利US5653925A與上述專利不同，其采用間接控制擠出速率的方式，即通過在制造過程中在部件中引入孔隙，且這個(gè)孔隙程度應(yīng)當(dāng)可以使制品具有可靠的強(qiáng)度，部件中孔隙的增加可以減少沉積時(shí)層與層之間或每一層對擠出速率的敏感程度，并且可以允許擠出物具有高的粘度和表面張力，采用此種方式可以補(bǔ)償部件內(nèi)部膨脹，從而減少鑄模的破損；可以減少后續(xù)工序步驟；可以使尺寸更精確；可以使用更廣的材料進(jìn)行沉積；提高制造精度。

3.4.4對三維打印分辨率的改進(jìn)

在三維打印過程中一般是采用路徑寬度不變的分辨率進(jìn)行打印，從而能夠快速成型，但是在此生成的構(gòu)建路徑內(nèi)會(huì)出現(xiàn)小空區(qū)域的問題，這些小空區(qū)域一般小于恒定路徑寬度分辨率，因此，在數(shù)據(jù)生成時(shí)被忽略。這樣就造成在構(gòu)建材料沉積路徑之間形成空腔，其相應(yīng)增加了所得到的3D物體的孔隙度，因此，降低了所得到的3D物體的結(jié)構(gòu)完整性和密封特性。中國專利CN101401102A提出可以采用在構(gòu)建路徑限定空區(qū)域，并且在空區(qū)域內(nèi)生成至少一條中間路徑，并根據(jù)該中間路徑來生成剩余的路徑的方法，從而降低3D制品中的空隙度，增加制品的分辨率。

中國專利CN101449295A對提高由具有良好物理特性的諸如熱塑性材料建造三維物體的速度和分辨率做了一定貢獻(xiàn)，該專利則采用將噴射技術(shù)和熔融沉積成型原理相結(jié)合的方式，通過噴射第一材料的方式形成限定支撐結(jié)構(gòu)的增量的多個(gè)層，此時(shí)噴射使支撐結(jié)構(gòu)的增量具有高分辨率的內(nèi)部表面，該支撐結(jié)構(gòu)用作可同時(shí)用其結(jié)構(gòu)填充的高分辨率模型，這樣使三維物體由具有良好物理特性的材料以高沉積速率形成并具有高表面分辨率。

3.4.5對三維打印過程的改進(jìn)

美國專利US2015145174A1對3D打印的印盤做了改進(jìn)，在印盤上設(shè)置多組磁性裝置，從而可以通過印盤周圍的磁場將打印在構(gòu)造板上的3D打印制品從印盤上移走，并包括將構(gòu)造板從3D打印制品中移除的過程，之后進(jìn)行連續(xù)作業(yè)。

4　結(jié)論

目前來看，Stratasys在FDM成型領(lǐng)域中占據(jù)絕對領(lǐng)導(dǎo)地位，專利申請涵蓋了打印裝置、材料、軟件控制等方方面面，以目前國內(nèi)企業(yè)的技術(shù)儲(chǔ)備和專利布局來看，基本處于全面落后的狀態(tài)，但FDM成型顯然還有諸多可以改進(jìn)的方面，以下為筆者的一些觀點(diǎn)，僅供參考，例如：

1.具體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，例如打印頭的改進(jìn)，目前多打印頭已成為趨勢，但打印頭的切換方式多種多樣，隨之而來的不同的打印頭的孔徑尺寸均可以成為改進(jìn)點(diǎn)；

2.打印材料的改進(jìn)，3D制品材料和支撐材料的成分和結(jié)構(gòu)均可以成為改進(jìn)點(diǎn)，針對材料的改進(jìn)不依賴打印裝置，更容易繞開現(xiàn)有專利的限制。

3.打印控制方法的改進(jìn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，精確打印和高效打印控制方法已深深地融合到FDM成型中來，如何利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來優(yōu)化打印方法，例如控制打印頭走位和響應(yīng)、優(yōu)化模型分層、消除臺(tái)階效應(yīng)、制品的后加工等，也有諸多改進(jìn)的余地。

Stratasys在FDM成型領(lǐng)域技術(shù)力量雄厚，專利布局也比較廣泛，其中諸多技術(shù)和思路十分值得其他企業(yè)借鑒，相信隨著研究的不斷深入，F(xiàn)DM必將能夠更加成熟，并實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的生產(chǎn)與應(yīng)用。

［1］普立得科技.Stratasys 3D打印世界［J］.航空制造技術(shù)，2015（5）：105.

［2］朱金龍，趙寒濤，吳岡等.大幅面工業(yè)級熔融沉積式FDM 3D打印機(jī)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2016，35（1）：115-118.

Analysis on the Patent of Fused Deposition Modeling-Three Dimensional Printing Technology of Stratasys Corporation

Zhao ChongDeng XiaoboHao ChenhuiWang TingZhao Fengxia
（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office，SIPO，Zhengzhou Henan 450002）

The fused deposition modeling of three dimensional printing technology of Stratasys corporation is introduced in this paper，while briefly analyzes on the progress of patent evolution and the tendency on the amounts of the applicants，and also the important applicants.The development and the technicalimprovement of FDM are also discussed.Aiming at providing some suggestions to the research of domestic enterprises.

fused deposition modeling；stratasys；liquifier；filament；support；printing

TG665

A

1003-5168（2016）05-0070-07

2016-5-15

趙翀（1989-），男，碩士，審查員，研究方向：材料領(lǐng)域發(fā)明申請的實(shí)質(zhì)審查；鄧曉波（1988-），男，碩士，審查員，研究方向：材料領(lǐng)域發(fā)明申請的實(shí)質(zhì)審查（等同于第一作者）。