干货分享：大幅面FDM 3D打印设备、材料和应用

增材制造生产的聚合物零件根据尺寸可分为：小型增材制造（零件体积小于1m³）、大幅面增材制造（零件体积大于1m³）。聚合物大幅面增材制造（LFAM）是一个具有巨大增长潜力的研究领域，其当前的主要进展是能够以更快、更便宜和可靠的方式生产大尺寸部件。根据市场研究分析，在综合了打印能力和制造成本后，涉及聚合物材料的所有增材制造系列（表1）的结果表明，目前最适合生产大幅面聚合物零件的增材制造工艺为熔融挤出（原材料可以是长丝或颗粒）。

表1 AM系列大幅面聚合物商业打印机的特点

2023年1月，葡萄牙的里斯本大学（ULisboa）的Carlos M. S. Vicente研究团队在《Progress in Additive Maufacturing》杂志上发表题为“Large-format additive manufacturing of polymer extrusion-based deposition systems: review and applications“的综述，该综述对聚合物的大幅面增材制造 (LFAM) 工艺进行了回顾，随后进行了大幅面聚合物商业打印机的市场研究，对当前LFAM系统配置及其控制方面进行了概述，描述了与增材制造聚合物大型零件制造相关的设计和建模方法，以及目前正在应用和开发的材料。最后，总结了LFAM在交通、学术、建筑和能源领域的应用。

熔丝挤出成型（FFF）或颗粒挤出成型（FGF）已成为业内最广泛使用的增材制造工艺之一。常用的有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS)、聚碳酸酯 (PC) 或聚乳酸 (PLA) 等聚合物，但是该聚合物机械性能有些限制，为了提高FFF或FGF零件的机械性能（强度、刚度和蠕变），聚苯砜 (PPSU)、聚醚酰亚胺 (PEI) 和聚醚醚酮 (PEEK) 等工程塑料正在不断开发。目前市场上主要的是小型或功能型熔融挤出设备，大幅面熔融挤出增材制造设备市场还有待开发（表3为商业LFAM打印机）。下表为小幅面和大幅面熔融挤出增材制造主要过程特征。

表2 小幅面和大幅面熔融挤出增材制造主要过程特征表

较大零件的制造无疑意味着系统配置类型及其自动化和控制机制的复杂性增加，为了解决这个问题，提出了多种解决方案，如结合机械臂打印、原材料用颗粒代替长丝、在同一打印头上配备多个喷嘴、携带多个打印头的机器人协同工作、模块化协同制造等方法提高打印速度、精度（图1）。

图1 LFAM打印机的系统配置

大幅面增材制造技术在航空航天、汽车、建筑、模具、能源应用等经典工业领域及定制化、小批量制造领域（如消费品、医疗保健等）具有广泛应用。

大幅面增材制造技术在各领域的应用（2020）

 其中航空航天一直是引领增材制造市场的主要行业之一，该行业具有特定的制造要求（设计复杂、轻量化、需具有阻燃性），LFAM技术在该领域的应用包括飞机内饰和机舱部件、制造空气动力学模型、飞机概念模型验证、模具及夹具、无人机及火箭上的部分零部件。2019 年，Diel Aviation 宣布交付其最大的全 3D 打印部件——Curtain Comfort Header，该部件安装在 A350 XWB 飞机上。阿提哈德航空采用 LFAM 方法首次对空客 A320 侧壁进行全尺寸打印，其中包含打印导电轨道、天线和装饰部件。

汽车行业是增材制造技术的主要用户，该行业的竞争力主要取决于设计能力及更清洁、更轻、更安全的产品，主要应用包括汽车部件、汽车原型及汽车模具及相关工具。2013年，第一辆“3D打印汽车”Urbee诞生，该汽车的车身、保险杠、仪表盘等零件都是3D打印工艺制造。

图2 LFAM在交通运输领域的应用

LFAM在建筑和建造中的主要应用包括建筑模型、房屋、窗户、家具和装饰物品以及用于场外施工的模具。增材制造综合能源(AMIE)示范项目中使用LFAM制造房屋（图3a）大约 80% 的房屋（包括各个部分）是使用 ABS/CF进行3D打印的，沉积速率为45公斤/小时，该房屋面积为19.5平方米，其建造目的是建造一座节能建筑，减少材料浪费，作为增材制造在建筑行业能力的典范。另外，中国公司青岛独特产品开发有限公司开发了一台大型3D打印机（12×12×12 m），可以用GF增强石墨烯打印整个房屋。

LFAM在能源领域的主要应用之一是风力涡轮机，例如风力涡轮机原型、风力涡轮机叶片、分流器以及机舱盖的开发。2014 年，Abdelrahman 和Johnson采用LFAM技术，使用3D打印的PC-ABS材料生产带有模块化叶片（基于S833翼型设计）的风力涡轮机试验台原型，其叶片尺寸为1.7 m，截面宽度约为 0.2 m（图4a）。实验结果表示，使用3D打印叶片部分实施的实验装置可有效测量风力涡轮机叶片内应变的微小变化。Sanandiya等人使用机械臂和纤维材料打印了具有内部结构的风力涡轮机（1.2 m）（图 4b），该纤维材料的密度不到最轻的市售3D打印长丝（聚酰胺，0.95 g/cm3）的一半，从而使成品叶片重量轻至5.28kg。

LFAM允许无工具制造具有较大设计自由度的大尺寸零件，所以其在工业维护尤其是大型零件制造方面具有巨大潜力，但是未来LFAM的发展也存在以下挑战：

• 建模软件

• 开发不依赖石油的可持续发展材料

• 完善行业标准

• 提升过程控制

• 使用多种材料打印同一零件

• 在保证功能和结构应用的前提下减少材料的使用

聚合物大型零件增材制造是一个具有巨大增长潜力的技术研究领域，LFAM具有制造更快、成本更便宜、生产方式更可靠的优势，但是该技术还存在一些不足和挑战，需要后续的研究者克服限制其发展的关键技术。