材料擠出式3D打印研究的現在與未來
1. 背景與定義
材料擠出式3D打�。∕aterial-Extrusion Based 3D Printing, 以下簡稱為ME-3DP）是ASTM F42委員會定義的7項3D打印子技術之一。最早的ME-3DP技術（Fused Deposition Modeling或FDM）由Scott Crump在1989年發明 [1]，并由此為基礎創立了至今仍然是行業龍頭的美國Stratasys公司。
工業級塑料3D打印設備銷售情況（2020年情況，2025年預測）
© AMPower
從公司數量和市場占有率上來看，FDM/FFF技術至今仍然是ME-3DP的主要形態。但ME-3DP也演進出了不同的 “技術變種”，如以大尺寸粒料打印為核心的BAAM（Big Area Additive Manufacturing）技術，連續纖維增強打印技術，和以熱固性材料為主的直寫式（Direct Ink Writing或DIW）技術 [2]等。后者（DIW）主要應用在功能性材料體系（如水凝膠）和器件的制備中，其成型機理和其它基于熱塑性高分子材料的ME-3DP技術有一定差異，產業化程度也相對更加有限，因此不在本文討論范圍之中。
本期谷.專欄，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，以工藝和材料為核心視角，給出對于目前產業界和學術界的研究進展和未來趨勢分析，以及作者對于行業發展的戰略建議。
2. ME-3DP的研究進展與趨勢
2.1 錯覺、挑戰和困境
相比其它的3D打印技術，ME-3DP最早地走入了公眾的視野。在Stratasys核心專利過期和以RepRap [3]為代表的開源硬件社區驅動下，第一批ME-3DP的創業公司以低成本，桌面式3D打印機這一全新形態出現在了市場中，并以創始不到五年的MakerBot公司被行業龍頭Stratasys的收購為標志達到了第一次高峰。這些設備外觀簡單，成本低廉，也沒有復雜的核心器件，從而導致ME-3DP被普遍認為是一項較為簡單的技術。這一錯覺一直延續到了現在，甚至存在于大量的行業從業者和投資人之中。
塑料增材制造工藝
© 3D科學谷《3D打印與塑料白皮書》第二版
和這一錯覺形成鮮明對比的，是目前ME-3DP行業略為尷尬的技術現狀：過去近十年間產生了不下數千家新公司，但沒有任何一家公司在技術上能夠比肩甚至接近Stratasys，業界也沒有看到ME-3DP在材料和工藝技術上任何系統性的演進；ME-3DP工藝失敗率高、打印效率低下、打印件性能波動大且難以預測和調控等技術挑戰仍然普遍存在。行業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的核心技術挑戰。這一方面導致了資源的極大錯配，同時也讓新興的消費級（終端售價在數百美元）和專業級（終端售價在數千美元）3D打印機市場迅速地紅�；�
以下現狀可以更形象地說明目前ME-3DP產業面臨的技術挑戰：
- 在幾乎所有客戶的實際打印過程中，打印工藝開發缺乏任何實質有效的理論指導，在極大程度上依靠于簡單試錯和打印人員的主觀經驗。這導致了極高的工藝失敗率，尤其是針對大尺寸、結構復雜的零部件。作者曾參與過一家北美大尺寸FFF打印機品牌的技術培訓會議，期間培訓師提到了一個“經驗法則”：每次成功的打印之前平均會有四次失敗的嘗試，足見工藝失敗率之高以及對于試錯的依賴。
- 打印機、核心部件和材料開發之間既缺乏有效的合作，也無基于科學理論和有效標準為基礎的開發模式。以擠出系統的設計為例，擠出系統是ME-3DP的核心組成部件，很大程度上決定了打印設備的整體性能。但目前擠出系統的設計在極大程度上仍然依靠主觀經驗，而不是基于對擠出過程的物理表征和分析來進行的。這導致擠出系統對行業絕大多數公司來說接近于“黑盒子”，也因此缺乏實質性的創新和進步。大量的打印機公司（甚至包含一些達到一定規模的企業）甚至缺乏基礎的材料學知識和能力。
- 盡管在理論上ME-3DP能夠適應大量的材料，但實際能夠穩定應用的材料體系卻非常有限。由于缺乏有效的理論和工具，材料工藝開發的周期也相當長。根據筆者的了解，即使是行業龍頭Stratasys，新材料打印工藝的開發也需要近一年的時間。而且工藝開發缺乏普適性，對于同樣的打印材料，打印工藝在不同設備甚至是不同的打印模型之間也無法做到快速適應和轉換。
這些挑戰彰顯了目前行業所面臨的內卷式困境：由于對技術復雜性和技術挑戰的錯誤判斷，導致了資源的錯配，即大量資金和技術資源并未投入在最需要解決的瓶頸性技術問題上。也正因為如此，很多的資源投入并未轉化為技術和行業所需要的跳躍式發展，而這一“收益不足”又會限制和誤導后續的投入。
但積極的一方面是，在過去的幾年中學術界對于ME-3DP領域的關注度和興趣不斷上升，尤其是很多高分子科學家、數據和人工智能科學家等“非傳統”3D打印研究人員加入到了領域中。這些不同維度的研究不僅給行業提供了新的工具、方法和思路，更重要的，也驅動了行業技術共識的形成。
接下來，本文將會對部分作者認為較為重要的研究方向和成果做簡要綜述，以期簡要勾勒出技術發展的現狀和未來方向。
2.2 ME-3DP的核心技術挑戰
如前文所述，ME-3DP簡單的表象掩蓋了其背后多物理場耦合的復雜工藝過程。ME-3DP（DIW除外）本質上是對高分子材料的熱加工；與傳統熱加工（如擠出、注塑）類似，熱歷史對于加工過程和成型件的質量與性能有至關重要的作用。但與這些傳統加工工藝中不同的是，ME-3DP過程中的溫度場具有較為高度的差異性，具體來說體現在：
(1) 不同設備與工藝之間的熱歷史差異極大，從使用“標準” 0.4 mm噴嘴的桌面式FFF到大尺寸BAAM打印，其表觀冷卻速率相差可達4-5個數量級 [4]；
(2) 即使在使用相同設備的條件下，不同的零件，甚至是同一個零件上的不同體素（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，測量技術也十分有限，做到預測和控制更是挑戰巨大。這一復雜的熱歷史再與不同高分子的粘彈性、相變行為和微觀結構（均為溫度的復雜函數）等材料特性相互耦合，帶來了打印件內應力和界面（層間）融合程度的難以預知，從而導致了如翹曲、層間開裂、外觀缺陷等各種工藝問題甚至是打印失敗。
另一個ME-3DP和傳統加工技術的巨大差異是打印件結構和性能的高度耦合。
在絕大部分傳統高分子加工工藝中，產品的結構由模具決定，性能由材料的本征特性決定；換句話說，產品的結構和性能可以進行獨立的調控。在ME-3DP中，由于熱歷史的復雜性和一部分的結構因素，打印件的性能只在很低的程度上反映了材料的本體性能。換句話說，即使材料確定，也無法有效預測打印件的性能；就算材料、工藝參數都固定，不同的打印件之間的性能也可能存在巨大差異。這顯然無法滿足很多工業應用的基本需求。在作者某次與美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Lab）的一位研究負責人的對話中，對方將這一點視作是3D打印的核心挑戰[i]。
上述這兩點是作者看來ME-3DP所面臨的最核心的技術挑戰，也是目前ME-3DP領域技術研發的重要背景。下面作者將以此為出發點，簡要綜述目前學術、工業界的研究現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 材料擠出過程的表征和研究
材料擠出是ME-3DP的核心工藝過程，對這一過程的表征和研究能夠有效地指導擠出機構的設計和材料開發，因此是非常重要的領域。但ME-3DP的材料擠出機構一般都較小，直接的表征和測試手段較為有限，因此很多工作都選擇了理論計算和模擬作為研究工具。Bellini等 [6] 在2004年就推導過擠出系統流道中三個特征區域的壓力降方程，但推導過程做了較多的簡化，例如完全沒有考慮傳熱過程，也欠缺和實驗結果的對比檢驗。這一領域的研究在近年隨著ME-3DP技術應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驗方法。比如通過對不同擠出工藝參數（如加熱塊溫度、擠出速度等）下擠出力的測量，已經可以獲得很多關于擠出過程中傳熱和流變過程的信息，也能在一定程度上對工藝開發和材料篩選做出指導 [15, 16]。但ME-3DP擠出機構的封閉性也導致了直接、在線式的觀察和測量會比較困難，往往需要一些實施代價不低的實驗方法：例如Peng等 [17] 使用了加入到線材中的染料顆粒和直接插入噴嘴流道中的熱電偶，間接測量了擠出過程的速度場與溫度歷史。但即使這樣獲得的信息也相對有限，尤其很難對非穩態（non-steady state）的行為表征充分；而非穩態行為在實際的打印過程中非常重要，甚至占據主要地位（這一點也是和以穩態為主的傳統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ME-3DP擠出過程中一些特異性現象的表征，比如線材外徑和擠出流道內徑差值所導致的返流（back flow）現象 [13]，進料齒輪和線材之間的微打滑（micro slippage）現象 [18]，擠出熔體表面破裂導致的“鯊魚皮”（sharkskin）現象 [19]，口模脹大現象 [16, 20]，用于快速卸載口模壓力的線材回抽（retraction） [21]等。
即使有了這些新的研究成果，目前對于ME-3DP擠出過程的整體研究還屬于較為初期的階段，對具體產業的影響力比較有限。
一方面，目前行業內尚未形成統一的理論框架，擠出機構的設計還是依靠經驗為主，很少有基于科學理論的設計標準。另一方面，很多擠出過程中非常重要的現象也缺乏深入研究。以線材回抽為例，回抽的有效性對于打印質量有著至關重要的影響，但目前對這一過程的認知還相當有限。
有很多問題業界還無法充分回答，例如：回抽的有效性與高分子熔體的哪些粘彈性特性有關？如何根據材料特性設計合適的回抽條件（速度、距離）？擠出機構的設計會如何影響不同材料回抽的有效性？未來的研究工作還有相當長的路要走。
(責任編輯：admin)
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