马萨诸塞大学发明 "注射3D打印 "技术，将FDM速度提高3倍

2020年8月11日，南极熊从外媒获悉，马萨诸塞大学(UMass)洛厄尔分校的一位研究人员开发了一种新的3D打印技术，融合了注塑的元素，提高了3D打印的生产速度，同时提高了产品的强度和性能。更耐用的假肢装置、更坚固的飞机和汽车零件是潜在的应用市场。

塑料3D打印机的全球市场估计为40亿美元，而且还在不断增长，但据领导该研究项目的UMass Lowell的塑料工程教授David Kazmer说，在确保打印机快速生产的对象时，保持其强度和精度方面仍然存在挑战。他们发明了一种被称为“注射打印”的技术，在学术期刊《Additive Manufacturing》上发表。

△在注射打印中，先3D打印外壳结构，然后向空腔内注射塑料以填充空腔，图片由Additive Manufacturing/Elsevier提供

Kazmer和Austin Colon在《Additive Manufacturing》杂志上写道："注射打印结合了以精细分辨率对零件外表面的材料挤出和以高流速对较大的内部空腔进行注射成型。Colon是塑料工程专业的博士生，他帮助验证了这项技术。"这种技术利用材料挤出打印机的全部熔化能力"他们补充道。

作为七种类型的增材制造工艺之一，FDM材料挤出成型技术，是将热塑性塑料或复合材料的连续丝材通过喷嘴送入，被加热后挤出，并在构建平台上逐层沉积。

"我们将3D打印机用作注射单元，以填充3D打印出来的壳壁空腔，"Kazmer告诉PlasticsToday。"换句话说，我们正在将零件的内部作为自己的模具空腔。关键是计算壳壁的间距和高度，这样你就可以获得良好的填充，而不会发生过度的变形。模具的工程设计在流动、变形和传热方面都与注塑的工艺规划有关。"Kazmer说。"虽然这个新技术向后兼容现有的3D打印机，但做注塑的控制程序（G代码）确实需要新的预处理器（切片机），"他补充道。

Kazmer指出，大多数可以通过熔丝制造（FFF或FDM；又称熔融沉积建模）进行加工的热塑性塑料都能与注射打印兼容。事实上，据报道，Kazmer的发明可以将更多的热量进入到零件中，因此与FFF相比，材料熔融得到了极大的改善。"这意味着，在大量填充材料中实现更高的强度和更多的各向异性的潜力很大，"Kazmer告诉PlasticsToday。"打印速度受限于你熔化材料并将热量排出零件的能力。典型的流速在4毫米3/秒左右。我发现，大多数低端3D打印机可以熔化约12立方毫米/秒。通过对热端进行一些修改，你可以轻松地沉积20立方毫米/秒，"Kazmer说。

△（a）FFF技术 （b）粘结剂喷射技术 （c）Carbon的DLS技术 （d）本文介绍的注射打印技术

这种技术与惠普的Multi-Jet Fusion（MJF）和Carbon的数字光合成（DLS）技术相比，又如何呢？Kazmer承认，MJF和DLS具有更高的生产率，因为它们是并行处理层，他认为这是生产速度方面的一大优势。然而，注射打印通过填充由打印壳壁定义的内部体积，提供了对产量的倍增效应，他指出。"因此，注射打印节约了时间，从而使FDM/FFF更具竞争力。除此之外，注射打印还支持性能改进的热塑性塑料复合材料。Kazmer强调说："对于3D打印技术和大批量应用，注塑是一个很大方向。”

△传统FFF材料挤出工艺（下）和注塑打印工艺（上）制成的平面内拉伸试样的失效面

△传统FFF材料挤出工艺（左）和注塑打印工艺（右）制作的垂直拉伸试样的失效面

基于ABS的拉伸棒，已经用来验证注塑与材料挤出相比的性能。根据发表在《Additive Manufacturing》上的论文，对测试后样品进行的图像分析发现，注射打印比传统的3D打印技术快了约3倍，与材料挤出相比，刚度、强度和应变失效性能分别提高了21、47和35%。