基于FDM成型技术的打印强度和成型速率研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.01.018

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (1): 112-117.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.01.018

基于FDM成型技术的打印强度和成型速率研究进展

王世檩¹(), 朱家威¹, 张鹏¹, 魏兴岳¹, 杨华光², 曾宪奎¹, 杨卫民³, 鉴冉冉¹()

^1.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061
^2.金发科技股份有限公司企业技术中心，广州 510663
^3.北京化工大学机电工程学院，北京 100029

收稿日期:2024-04-12 出版日期:2025-01-26 发布日期:2025-02-14
通讯作者: 鉴冉冉（1991-），男，副教授，主要从事高分子材料加工成型与先进制造技术，jianrr@foxmail.com
E-mail:15315613867@163.com;jianrr@foxmail.com
作者简介:王世檩(2000-)，男，硕士研究生，主要从事挤出增材制造技术研究，15315613867@163.com
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(52206095);山东省自然科学基金资助项目(ZR2021QE232);山东省高等学校青创科技支持计划(2023KJ102)

Research progress in printing strength and molding rate based on FDM molding technology

WANG Shilin¹(), ZHU Jiawei¹, ZHANG Peng¹, WEI Xingyue¹, YANG Huaguang², ZENG Xiankui¹, YANG Weimin³, JIAN Ranran¹()

^1.College of Electromechanical Engineering，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266061，China
^2.Kingfa Sci. and Tech. Co，Ltd，Guangzhou 510663，China
^3.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China

Received:2024-04-12 Online:2025-01-26 Published:2025-02-14
Contact: JIAN Ranran E-mail:15315613867@163.com;jianrr@foxmail.com

摘要/Abstract

摘要：

熔融沉积成型（FDM）技术作为3D打印的主流技术，虽受广泛应用，但打印件强度不足与成型速度慢等问题仍是其发展的瓶颈。为此，国内外学者进行了深入研究。本文从优化打印参数、改进层间结合、材料改性和工艺创新等层面，探讨了提升打印强度的多种途径。同时，从完善打印方法和优化打印设备两个维度，分析了影响FDM成型效率的关键因素，并提出了相应的改善措施。最后，从打印路径优化及质量检测两个角度总结了国内外学者通过人工智能提高打印强度及打印速率的综合应用。

关键词: 熔融沉积成型, 成型效率, 成型质量, 人工智能

Abstract:

As a mainstream technology for 3D printing， fused deposition modeling （FDM） has been received a wide application range. However， the insufficient strength of printing parts and slow molding speed are still the bottleneck for its development. Therefore， the researchers at home and in foreign countries have conducted in⁃depth research on this issue. This article explored various ways to improve printing strength from the perspectives of optimizing printing parameters and improving interlayer bonding， material modification， and process innovation. Meanwhile， the paper also analyzed the key factors that affect the molding efficiency of FDM from the two aspects of improving the printing method and optimizing the printing equipment and proposed the corresponding improvement methods. Finally， the comprehensive applications for improving printing strength and printing rate through artificial intelligence from the perspectives of printing path optimization and quality inspection were summarized.

Key words: fused deposition modeling, molding efficiency, molding quality, artificial intelligence

中图分类号:

TQ320.66

王世檩, 朱家威, 张鹏, 魏兴岳, 杨华光, 曾宪奎, 杨卫民, 鉴冉冉. 基于FDM成型技术的打印强度和成型速率研究进展[J]. 中国塑料, 2025, 39(1): 112-117.

WANG Shilin, ZHU Jiawei, ZHANG Peng, WEI Xingyue, YANG Huaguang, ZENG Xiankui, YANG Weimin, JIAN Ranran. Research progress in printing strength and molding rate based on FDM molding technology[J]. China Plastics, 2025, 39(1): 112-117.

图/表 6

图1 3D打印路径规划

Fig.1 3D print path planning

图2 等离子体实验装置［26］

Fig.2 Plasma experimental setup［26］

图3 基于FDM的3D打印机气体辅助喷头模型［31］

Fig.3 Model of gas⁃assisted nozzle of 3D printer based on FDM［31］

图4 螺杆送料塑化系统［36］

Fig.4 Screw feeding plasticizing system［36］

图5 注射打印原理示意图

Fig.5 Schematic diagram of the principle of injection printing

图6 新型激光辅助加热喷头原理图

Fig.6 Schematic diagram of new laser assisted heating nozzle

参考文献 58

1	卢秉恒.增材制造技术—现状与未来［J］.中国机械工程，2020，31（1）：19⁃23.
	LU B H. Additive manufacturing⁃current situation and future［J］. China Mechanical Engineering， 2020， 31（1）： 19⁃23.
2	马晓伟，刘佳，李静，等.3D打印技术现状及发展趋势［J］.新材料产业，2019（10）：51⁃54.
	MA X W， LIU J， LI J，et al. Status and development trend of 3D printing technology［J］. Advanced Material Industry，2019（10）：51⁃54.
3	周朕.熔融沉积扫描路径规划及工艺参数优化研究［D］.南京：南京航空航天大学，2017.
4	DING D H， PAN Z X， CUIURI D， et al. A tool⁃path generation strategy for wire and arc additive manufacturing［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2014， 73（1⁃4）： 173⁃183.
5	任东改.基于Bayazit算法的3D打印路径规划研究［J］.数字印刷，2019（6）：50⁃57.
	REN D G. Research on 3D printing path planning based on Bayazit algorithm［J］. Printing and Digital Media Technology Study， 2019（6）： 50⁃57.
6	SERRA T， ORTIZ⁃HERNANDEZ M， ENGEL E， et al. Relevance of PEG in PLA⁃based blends for tissue engineering 3D⁃printed scaffolds［J］. Materials Science & Engineering C， 2014， 38： 55⁃62.
7	刘海华，高文强，赵淘，等.基于电弧熔丝增材制造的复合路径规划方法［J］.材料科学与工艺，2022，30（1）：53⁃60.
	LIU H H， GAO W Q， ZHAO T，et al. A compound path planning method based on wire and Arc addictive manufacturing［J］. Materials Science and Technology， 2022， 30（1）： 53⁃60.
8	任元.熔融沉积工艺中成型质量关键影响因素的分析与研究［D］.长春：长春工业大学，2018.
9	李春霞.熔融成型工艺参数对成型件表面质量的影响［J］.流体测量与控制，2021，2（6）：55⁃58.
	Li C X. Effect of melt forming process parameters on surface quality of molded parts［J］. Fluid Measurement & Control， 2021， 2（6）： 55⁃58.
10	成国峰，丁子珊.基于流体热分析的FDM工艺参数对拉伸强度的影响研究［J］.机械强度，2023，45（5）：1 211⁃1 220.
	CHENG G F， DING Z S. Effect of FDM process parameters on tensile strength based on fluid thermal analysis［J］. Journal of Mechanical Strength， 2023， 45（5）： 1 211⁃1 220.
11	陈毅非. FDM工艺参数对3D打印质量的影响［D］.郑州：郑州大学，2022.
12	周石林，张秀芬.尼龙线材FDM成型质量优化研究［J］.塑料工业，2023，51（2）：100⁃106.
	ZHOU S L， ZHANG X F. Research on molding quality optimization of Nylon wire based on FDM［J］. China Plastics Industry， 2023， 51（2）： 100⁃106.
13	陈勇，黄筱调，袁鸿，等.熔融沉积成型工艺参数优化研究［J］.现代制造工程，2016（11）：73⁃78+83.
	CHEN Y， HUANG X D， YUAN H，et al. FDM technical parameters optimization research［J］. Modern Manufacturing Engineering， 2016（11）： 73⁃78+83.
14	秦鹏，靳国宝，胡金兵等.FDM工艺参数的优化以及对成型质量的影响［J］.新乡学院学报，2020，37（6）：55⁃59+64.
	QIN P， JIN G B， HU J B，et al. Optimization of FDM process parameters and Its influence on molding quality［J］. Journal of Xinxiang University， 2020， 37（6）： 55⁃59+64.
15	STAMOPOULOS G A， GLINZ J， SENCK S. Assessment of the effects of the addition of continuous fiber filaments in PA 6/short fiber 3D⁃printed components using interrupted in⁃situ x⁃ray CT tensile testing［J］. Engineering Failure Analysis， 2024， 159： 108⁃121.
16	RYOSUKE M， MASAHITO U， MASAKI N， et al. Three⁃dimensional printing of continuous⁃fiber composites by in⁃nozzle impregnation［J］. Scientific Reports， 2016， 6（1）： 23⁃58.
17	黄志超，骆强，赖家美，等.环氧树脂/玻璃纤维/碳纤维混杂复合板低速冲击及损伤检测［J］.中国塑料，2021，35（6）：46⁃52.
	HUANG Z C， LUO Q， LAI J Met al. Low⁃velocity impact and damage detection of Epoxy/Glass and carbon fiber composite plates［J］. China Plastics， 2021， 35（6）： 46⁃52.
18	FUDA N， WEILONG C， ZHONGLUE H， et al. Additive manufacturing of thermoplastic matrix composites using fused deposition modeling： A comparison of two reinforcements［J］. Journal of Composite Materials， 2017， 51（27）： 3 733⁃3 742.
19	KLIFT D V F， KOGA Y， TODOROKI A， et al.3D Printing of continuous carbon Fibre reinforced thermo⁃plastic （CFRTP） tensile test specimens［J］. Open Journal of Composite Materials， 2016， 6（1）： 18⁃27.
20	HASSAN A E， GE D， YANG L， et al. Highly boosting the interlaminar shear strength of CF/PEEK composites via introduction of PEKK onto activated CF［J］. Composites Part A， 2018， 112： 155⁃160.
21	TIAN X， LIU T， YANG C， et al. Interface and performance of 3D printed continuous carbon fiber reinforced PLA composites［J］. Composites Part A， 2016， 88： 198⁃205.
22	QIAO J， LI Y， LI L. Ultrasound⁃assisted 3D printing of continuous fiber⁃reinforced thermoplastic （FRTP） composites［J］. Additive Manufacturing， 2019， 30： 100926.
23	WANG Q， JI C， SUN L， et al. Cellulose nanofibrils filled poly（lactic acid） biocomposite filament for FDM 3D printing［J］. Molecules， 2020， 25（10）： 2 317⁃2 319.
24	KUMAR D S， VENKADESHWARAN K， ARAVINDAN M. Fused deposition modelling of PLA reinforced with cellulose nano⁃crystals［J］. Materials Today： Proceedings， 2020， 33（P1）： 868⁃875.
25	QING Z， LISHA M， XIYA Z， et al. Lignocellulose nanofiber/polylactic acid （LCNF/PLA） composite with internal lignin for enhanced performance as 3D printable filament［J］. Industrial Crops Products， b2022， 178： 114⁃152.
26	NARAHARA H， SHIRAHAMA Y， KORESAWA H. Improvement and evaluation of the interlaminar bonding strength of FDM parts by atmospheric⁃pressure plasma［J］. Procedia CIRP， 2016， 42： 754⁃759.
27	ZALDIVAR J R， MCLOUTH D T， PATEL N D， et al. Strengthening of plasma treated 3D printed ABS through epoxy infiltration［J］. Progress in Additive Manufacturing， 2017， 2（4）： 193⁃200.
28	YANG K， GRANT C J， LAMEY P， et al. Diels–Alder reversible thermoset 3D printing： isotropic thermoset polymers via fused filament fabrication［J］. Advanced Functional Materials， 2017， 27（24）： 170⁃318.
29	DAVIDSON J R， APPUHAMILLAGE G A， THOMPSON C M， et al. Design paradigm utilizing reversible Diels⁃Alder reactions to enhance the mechanical properties of 3D printed materials.［J］. ACS applied materials interfaces， 2016， 8（26）： 16 961⁃16 966.
30	杨柏森.散热条件对FDM丝材粘结质量的影响研究［D］.大连：大连理工大学，2014.
31	肖建华，许煌翔，刘晓波.一种FDM成形中气体辅助喷头的设计及其对打印件力学性能的影响［J］.塑性工程学报，2023，30（1）：208⁃214.
	XIAO J H， XU H X， LIU X B. Design of a gas⁃assisted nozzle in FDM molding and its influence on mechanical properties of printing parts［J］. Journal of Plasticity Engineering， 2023， 30（1）： 208⁃214.
32	徐子又，胡镔，邢泽华，等.层间预熔温度对熔融沉积成型打印件力学性能的影响［J］.塑料科技，2019，47（5）：37⁃43.
	XU Z Y， HU B， XING Z Het al. Effect of interlayer premelting temperature on mechanical properties of fused deposition molded printed parts［J］. Plastic Science and Technology， 2019， 47（5）： 37⁃43.
33	余兆函，周子康，王云明.聚合物管载胶熔融沉积3D打印增强层间结合强度［J］.精密成形工程，2021，13（2）：87⁃90.
	YU Z H， ZHOU Z K， WANG Y M. Fuse deposition 3D printing using glue within polymer tube to enhance interlayer bonding strength［J］. Journal of Netshape Forming Engineering， 2021， 13（2）： 87⁃90.
34	严铜.多喷头 3D打印机并行打印的方法［P］.江苏省：CN110815812A，2020⁃02⁃21.
35	KEUN S P， BIN S O， SI K K. Multi⁃nozzle printing method for near⁃field electrospinning printing of invisible electrodes on PET film［J］. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers⁃B， 2020， 44（3）： 207⁃218.
36	TSENG J W， LIU C Y， YEN Y K， et al. Screw extrusion⁃based additive manufacturing of PEEK［J］. Materials & Design， 2018， 140： 209⁃221.
37	SON J， YUN S， PARK K， et al. Isotropic 3D printing using material extrusion of thin shell and post⁃casting of reinforcement core［J］. SSRN Electronic Journal， 2022， 58： 102⁃131.
38	鉴冉冉，贾维辉，郭鹏，等.一种注射 3 D打印装置：中国，CN113211785A［P］.2021⁃08⁃06.
39	鉴冉冉，林广义，史忠鹤，等.一种桌面级 3 D打印和复印装置及方法：中国，CN112571791A［P］.2021⁃03⁃30.
40	鉴冉冉，林广义，史忠鹤，等.一种具有增强骨架的异步 3 D 打印方法及装置：中国，CN111823581A ［P］.2020⁃10⁃27.
41	GO J， SCHIFFRES N S， STEVENS G A， et al. Rate limits of additive manufacturing by fused filament fabrication and guidelines for high⁃throughput system design［J］. Additive Manufacturing， 2017， 16： 1⁃11.
42	汪甜田.FDM送丝机构的研究与设计［D］.武汉：华中科技大学，2007.
43	王远伟.FDM快速成型进给系统的研究与设计［D］.武汉：华中科技大学，2015.
44	迟耀东，王进峰.熔融沉积快速成型送丝机构的研究与设计［J］.现代制造工程，2017（6）：69⁃72+98.
	CHI Y D， WANG J F. The research and design on the wire feeder of fused deposition modeling［J］. Modern Manufacturing Engineering，2017（6）： 69⁃72+98.
45	马志刚，王会良.熔融沉积3D打印机的送丝机构优化设计［J］.现代信息科技，2019，3（24）：160⁃162+164.
	MA Z G， WANG H L. Optimization design of wire feeder for 3D printing equipment of fused deposition modeling technology［J］. Modern Information Technology， 2019， 3（24）： 160⁃162+164.
46	王宗兴.激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头的设计与研究［D］.青岛：青岛大学，2021.
47	袁平，谢焯俊，张泽，等.基于ANSYS Icepak的FDM 3D高温打印机喷头散热优化研究［J］.机械，2021，48（11）：10⁃16.
	YUAN P， XIE Z J， ZHANG Z，et al. Heat dissipation optimization of FDM 3D high temperature printer nozzle based on ANSYS Icepak［J］. Machinery，2021，48（11）： 10⁃16.
48	马雯，杨化林.基于笛卡尔坐标系FDM型3D打印机的对比分析［J］.科学技术创新，2018（11）：62⁃63.
	MA W， YANG H L. Comparative analysis of FDM 3D printer based on Cartesian coordinate system［J］.Scientific and Technological Innovation，2018（11）：62⁃63.
49	蔡团团，易继军，吴康雄.基于Delta并联机械结构的3D打印机研究［J］.制造技术与机床，2017（6）：57⁃61.
	CAI T T， YI J J， WU K X. 3D printers research based on detal structure［J］. Manufacturing Technology & Machine Tool， 2017（6）： 57⁃61.
50	YADAV D， CHHABRA D， GARG K R， et al. Optimization of FDM 3D printing process parameters for multi⁃material using artificial neural network［J］. Materials Today： Proceedings， 2020， 21（Pt 3）： 1 583⁃1 591.
51	张兴，韩俊，袁玉冰.应用激光测距技术的3D打印喷头轨迹跟踪方法［J］.激光杂志，2023，44（6）：194⁃198.
	ZHANG X， HAN J， YUAN Y B. 3D printing nozzle trajectory tracking method using leaser ranging technology［J］. Laser Journal， 2023， 44（6）： 194⁃198.
52	胡玉鹏，甘新基，师珍珍，等.桌面级FDM高精度3D打印机的设计［J］.吉林化工学院学报，2019，36（5）：23⁃25+59.
	HU Y P， GAN X J， SHI Z Zet al. Design of high precision 3D printer for desktop FDM［J］. Journal of Jilin Institute of Chemical Technology， 2019， 36（5）： 23⁃25+59.
53	毕忠梁，单家正，赵夫超.基于Smoothieware的双臂SCARA型3D打印机设计［J］.景德镇学院学报，2022，37（3）：9⁃12.
	BI Z L， SHAN J Z， ZHAO F C. Design of a dual⁃arm SCARA 3D printer based on smooothieware［J］. Journal of Jingdezhen University， 2022， 37（3）： 9⁃12.
54	王祎，葛静怡，薛昕惟，等.改进Q学习的薄壁结构3D打印路径规划［J］.计算机工程与应用，2022，58（12）：299⁃303.
	WANG Y， GE J Y， XUE X Wet al. Path planning for complex thin⁃walled structures in 3D printing： improved Q⁃Learning method［J］. Computer Engineering and Applications， 2022， 58（12）： 299⁃303.
55	姜晓晨光.一种基于人工场势的FDM薄壁结构打印路径规划方法［J］.丝网印刷，2023（15）：101⁃103.
	JIANG X C G. A printing path planning method for thin⁃walled structures with FDM based on artificial field potential［J］. Screen Printing， 2023 （15）： 101⁃103.
56	LEQUN C， XILING Y， PENG X， et al. Rapid surface defect identification for additive manufacturing with in⁃situ point cloud processing and machine learning［J］. Virtual and Physical Prototyping， 2021， 16（1）： 50⁃67.
57	INGO S， RICHARD T， ULRICH G. Enhancement of high⁃resolution 3D inkjet⁃Printing of optical freeform surfaces using digital twins［J］. Micromachines， 2020，12（1）： 35⁃35.
58	杨德成，李凤岐，王祎，等.智能3D打印路径规划算法［J］.计算机科学，2020，47（8）：267⁃271.
	YANG D C， LI F Q， WANG Y， et al. Intelligent 3D printing path planning algorithm［J］. Computer Science，2020， 47（8）： 267⁃271.

[1]	朱家威, 潘威, 黄士争, MOHINI Sain, 杨卫民, 鉴冉冉. 高速高强熔融沉积成型技术研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 118-126.
[2]	高海亮, 胡程, 周宇强, 刘欣, 程建明, 宋桂珍. 3D打印零件的尺寸精度及控制[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 79-85.
[3]	凌远志, 王海雄, 李亚君, 何金辉, 严天祥. 超声波振动与热床对熔融沉积成型的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 87-91.
[4]	雷经发, 沈强, 刘涛, 孙虹, 尹志强. 熔融沉积工艺参数对热塑性聚氨酯弹性体静动态力学性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 29-35.
[5]	何金辉, 王海雄, 刘善坤, 李亚君. 基于二次回归正交旋转试验熔融沉积超声振动成型研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 107-113.
[6]	郑方莉, 傅南红, 焦晓龙, 杨卫民, 谢鹏程. 人工智能在注射成型参数设置及优化中的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 84-91.
[7]	王若寒, 毕超, 李翱. 基于响应面法的对乙酰氨基酚片剂FDM成型的工艺优化研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(9): 69-74.
[8]	孟浩, 袁美霞, 华明. ABS的3D打印制品表面质量研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(6): 74-79.
[9]	雷经发, 魏展, 刘涛, 孙虹, 段焕天. 熔融沉积PLA材料动态力学行为及本构模型研究[J]. 中国塑料, 2020, 34(11): 59-65.
[10]	罗通通, 孙玲. 偶联剂对PLA/PBAT/WF复合材料3D打印性能的影响[J]. 中国塑料, 2020, 34(11): 66-72.
[11]	李薇, 夏新曙, 林鸿裕, 杨裕金, 陈庆华, 肖荔人. 熔融沉积方式对PLA/TPU体系冲击性能的影响[J]. 中国塑料, 2019, 33(9): 21-26.
[12]	吴彦之, 侯和平, 徐卓飞, 刘善慧. 熔融沉积成型喷头系统的研究进展[J]. 中国塑料, 2019, 33(9): 116-124.
[13]	周运宏夏新曙杨松伟黄宝铨陈庆华肖荔人. PBS/PLA/滑石粉3D打印线材制备及熔融沉积成型工艺研究[J]. 中国塑料, 2018, 32(03): 85-91.
[14]	刘晓军, 迟百宏, 刘丰丰, 焦志伟, 杨卫民. ABS/GF大型制品3D打印成型工艺研究[J]. 中国塑料, 2016, 30(12): 47-51 .

基于FDM成型技术的打印强度和成型速率研究进展

Research progress in printing strength and molding rate based on FDM molding technology

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 6

参考文献 58

相关文章 14

编辑推荐

Metrics

本文评价