3.7　熔融沉積成形技術(shù)的應(yīng)用

熔融沉積成形（FDM）工藝技術(shù)具有打印機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成形速度快、材料種類豐富且成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。基于FDM工藝的3D打印技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，是目前應(yīng)用領(lǐng)域廣、成熟度高、應(yīng)用價(jià)值大和前景廣闊的3D 打印技術(shù)。

3.7.1　汽車工業(yè)

汽車工業(yè)隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)汽車輕量化、縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)約制造成本等方面提出了更高要求，而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為滿足這些需求提供了可能。在汽車生產(chǎn)過(guò)程中，大量使用熱塑性高分子材料制造裝飾部件和部分結(jié)構(gòu)部件。與傳統(tǒng)加工方法相比，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)可以大大縮短這些部件的制造時(shí)間，在制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜部件方面更是將優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)得淋漓盡致，圖3-24為FDM 3D打印汽車空調(diào)外殼；同時(shí)，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)能夠一次成形，可以省去大部分傳統(tǒng)連接部件。圖3-25為FDM 3D打印組合儀表盤結(jié)構(gòu)原件，并且所用材料為熱塑性工程塑料，密度較低，能夠明顯減輕車輛的整體質(zhì)量。

FDM 3D打印技術(shù)在汽車零部件生產(chǎn)中的應(yīng)用還包括后視鏡、儀表盤、出口管、卡車擋泥板、車身格柵、門把手、光亮飾、換擋手柄模具型芯、冷卻水道等。其中，冷卻水道采用傳統(tǒng)的制造方法幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)；而采用FDM 3D打印技術(shù)制造的冷卻系統(tǒng)，冷卻速度快，部件質(zhì)量明顯提高。此外，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)還可以進(jìn)行多材料一體制造，如輪轂和輪胎一體成形，輪轂部分采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS） 硬質(zhì)材料，輪胎部分采用橡膠材料一體打印成形。

目前，在汽車零件制造方面，已經(jīng)有百余種零件能夠采用FDM 3D打印技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，而且可制造零件種類和制造速度這兩個(gè)關(guān)鍵數(shù)值仍在繼續(xù)上升。在賽車等特殊用途汽車制造方面，個(gè)性化設(shè)計(jì)以及車體和部件結(jié)構(gòu)快速更新的需求也將進(jìn)一步推進(jìn)FDM 3D 打印技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

3.7.2　航空航天

隨著人類對(duì)太空以及地球外空間的逐步探索，進(jìn)一步減小飛行器的質(zhì)量就成為設(shè)備改進(jìn)與研發(fā)的重中之重。采用FDM 3D打印技術(shù)制造的零件，由于所使用的熱塑性工程塑料密度較低，與使用其他材料的傳統(tǒng)加工方法相比，所制得的零件質(zhì)量更輕，符合飛行器改進(jìn)與研發(fā)的需求。在飛機(jī)制造方面，波音公司和空客公司已經(jīng)應(yīng)用FDM 3D打印技術(shù)制造零部件。例如，波音公司應(yīng)用FDM 3D打印技術(shù)制造了包括冷空氣導(dǎo)管在內(nèi)的300余種不同的飛機(jī)零部件，空客公司應(yīng)用FDM 3D打印技術(shù)制造了A380客艙使用的行李架。

在航天領(lǐng)域，所需設(shè)備和部件均需從地面運(yùn)輸至太空，一方面限制了其尺寸，另一方面運(yùn)輸過(guò)程中的苛刻環(huán)境也會(huì)對(duì)其使用性能產(chǎn)生不良影響。因此，如果能在太空中直接采用FDM 3D打印技術(shù)制造所需設(shè)備或部件，在降低成本和保證性能方面都具有極大的優(yōu)勢(shì)。利用FDM 3D打印技術(shù)，2014年11月國(guó)際空間站的航天員們制造出了第一把“太空扳手”。這把太空扳手僅僅是FDM 3D打印技術(shù)在航天領(lǐng)域應(yīng)用的案例之一。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，更多艙內(nèi)設(shè)備甚至是艙外大尺寸結(jié)構(gòu)部件的打印制造都有可能成為現(xiàn)實(shí)。由于FDM 3D打印技術(shù)使用的材料為熱塑性工程塑料，有望在太空中實(shí)現(xiàn)“制品打印→材料回收→材料再次打印利用”這一循環(huán)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)太空中廢棄材料的回收再利用。

3.7.3　醫(yī)療衛(wèi)生

在醫(yī)療行業(yè)中，患者一般在身體結(jié)構(gòu)、組織器官等方面存在一定差異，醫(yī)生需要采用不同的治療方法、使用不同的藥物和設(shè)備才能達(dá)到最佳的治療效果，而這也導(dǎo)致治療過(guò)程中往往不能使用傳統(tǒng)的量產(chǎn)化產(chǎn)品。FDM 3D打印技術(shù)個(gè)性化制造這一特點(diǎn)符合了醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的要求。目前FDM 3D打印技術(shù)在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用以人體模型制造和人造骨移植材料為主。某些精密手術(shù)想要取得預(yù)期的治療效果，就必須采取最佳的手術(shù)方式，但通常情況下不允許醫(yī)生通過(guò)多次實(shí)踐得出結(jié)論，給手術(shù)帶來(lái)一定難度和風(fēng)險(xiǎn)。FDM 3D打印技術(shù)可以和CT、核磁共振等掃描方法相結(jié)合，在手術(shù)前通過(guò)精確打印所需治療部位的器官模型，大大提高一些高難度手術(shù)的成功概率，增強(qiáng)手術(shù)治療效果。

精確打印器官等人體模型的作用并不只局限于提高手術(shù)效果。在當(dāng)今供體越發(fā)稀少且潛在供體不匹配等情況下，通過(guò)FDM 3D打印技術(shù)制造的外植體為解決這一緊急問(wèn)題提供了一種全新的方法。2013年3月，美國(guó)OPM公司打印出聚醚醚酮（PEEK）材料的骨移植物，并首次成功地替換了一名患者病損的骨組織；荷蘭烏特勒支藥學(xué)研究所利用羥甲基乙交酯（HMG）與ε-CL 的共聚物（PHMGCL），通過(guò)纖維熔體沉積技術(shù)得到3D 組織工程支架。新加坡南洋理工大學(xué)用聚ε-己內(nèi)酯（PCL）制造出可降解3D 組織工程支架。

3.7.4　教育教學(xué)

在課堂上，教具與模型可以讓學(xué)生更清楚地理解一些抽象的理論原理，對(duì)于提升教學(xué)效果具有顯著的作用。不同學(xué)科所需教具種類繁多，且隨著課本內(nèi)容的改進(jìn)，教具形式也在不斷變化，通過(guò)傳統(tǒng)成形技術(shù)生產(chǎn)更新?lián)Q代較快的教具成本較高，而能夠做到快速個(gè)性化生產(chǎn)的FDM 3D打印技術(shù)使得這些問(wèn)題迎刃而解。

目前FDM 3D打印技術(shù)更多的是作為教學(xué)環(huán)境，在英國(guó)21個(gè)試點(diǎn)學(xué)校、美國(guó)的北卡羅來(lái)納州立大學(xué)以及我國(guó)上海市靜安區(qū)多所學(xué)校中，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)已經(jīng)在具體課堂上體現(xiàn)了其作為教學(xué)環(huán)境的價(jià)值和作用；并且美國(guó)許多學(xué)校正在推廣的TI 公司的“3D 投影機(jī)領(lǐng)航項(xiàng)目”，也將進(jìn)一步推動(dòng)FMD 3D打印技術(shù)融入教學(xué)環(huán)境。此外，一些國(guó)家和組織正在探索3D打印應(yīng)用于STEM 課程（指科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)課程總稱），以推動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)創(chuàng)新，使得技術(shù)工程教育和藝術(shù)人文教育融合成為學(xué)校文化的一部分，而這無(wú)疑有助于FDM 3D 打印技術(shù)更好地融入到教學(xué)環(huán)境中。

在目前教學(xué)環(huán)境中，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)主要用于制作立體教具、輔助學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、強(qiáng)化互動(dòng)和協(xié)作學(xué)習(xí)。隨著3D打印熱的持續(xù)升溫和打印技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)極有可能作為一項(xiàng)獨(dú)立的科目躋身于教學(xué)內(nèi)容中去，包括如何設(shè)計(jì)圖樣、如何建模和使用 3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)打印成形。

3.7.5　食品加工

與使用其他熱塑性材料相似，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)可以使用巧克力、糖漿等能夠加熱熔化、冷卻凝固的食材進(jìn)行加工，在無(wú)需使用模具的條件下制出形狀奇特的食用產(chǎn)品，使得產(chǎn)品在外觀上更加誘人。因此，許多公司都在努力嘗試將FDM 3D打印技術(shù)應(yīng)用于食品制造行業(yè)。例如，3D System展出的Chefjet 和 Chefjet Pro兩款3D打印機(jī)，巴塞羅那 Natural Machines公司推出的一款消費(fèi)級(jí)的食品打印機(jī)。除了傳統(tǒng)打印食材，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)可以利用從人類目前不食用的物質(zhì)中提取出需要的營(yíng)養(yǎng)成分，加工成食品。例如，食用昆蟲對(duì)于大部分人來(lái)講是一件不太容易接受的事情，英國(guó)科學(xué)家們經(jīng)過(guò)歐盟和世界糧食組織同意，開發(fā)了一種可以把食用昆蟲轉(zhuǎn)換成面粉方法，再通過(guò)FDM 3D打印技術(shù)將食物打印出來(lái)，這個(gè)項(xiàng)目被稱為“昆蟲焗”。目前，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)主要還是用于制作具有奇特外形的食物，這主要是由于大部分食材不能直接用于 FDM 3D打印。如果通過(guò)提取食材內(nèi)部本身具有的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并制成線材的形狀，實(shí)現(xiàn)熔融擠出，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。隨著可打印食材的豐富，通過(guò)調(diào)節(jié)打印食材的配比，可以加工出更加符合人類營(yíng)養(yǎng)需求的食物，并且如果應(yīng)用在航天領(lǐng)域，可以進(jìn)一步豐富宇航員的食譜。

3.7.6　其他應(yīng)用

在建筑領(lǐng)域中，F(xiàn)DM 3D 打印技術(shù)能夠制作出符合設(shè)計(jì)需求的建筑物模型，從而驗(yàn)證樓宇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合要求；在機(jī)器人制造領(lǐng)域，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)能夠一次成形連接件，從而將舵機(jī)連接在一起，完成機(jī)器人的組裝；在模具制造領(lǐng)域，由于FDM 3D打印技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于生產(chǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具具有無(wú)與倫比的速度優(yōu)勢(shì)。