1 研究概况

1.1 研究背景、内容和目的

   上世纪八十年代，3D打印-快速成型制造技术（Rapid Prototyping and Manufacturing，RPM）问世，在短短的几十年间，关于快速成型制造技术的相关技术领域得到了高速发展。虽然快速成型制造技术得到了长足的发展，但很显然，国内外对其研究还不成熟，尚有众多改进余地，尤其是高昂的制造成本大大限定了该项技术的发展，熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）则是RPM 技术中大量应用的一种，由于FDM是RPM中唯一一种不需要激光器的成型方式，这种成型机的价格最低，近年来，国内外各大企业、高校针对FDM成型技术做了大量的研究工作，但目前FDM成型产品还存在诸如较大的翘曲变形、较低的产品尺寸精度、较低的致密度和表面光洁度等，这就需要深入的分析和研究FDM成型过程的机理和它的产品零件的密度、强度、精度的影响因素。而Stratasys公司是FDM成型技术的全球领跑者，已在全球安装了大量的原型和直接数字化生产系统，其数量之多没有其他任何一家公司能及。公司通过为原型创造性地推出产品级材料，引导Real PartsTM的直接数字化生产，从而成为技术革新的佼佼者。Stratasys公司目前占有41%的市场份额，已经连续5年在市场上领跑。

    本文主要通过对Stratasys公司针对FDM成型领域的专利申请进行详细分解，理清该公司在FDM领域的技术脉络，发掘FDM领域及其相关的领域的重点专利技术，为我国的FDM成型研究提供一定的参考。

1.2 FDM-3D打印技术研究概况

   FDM工艺由美国学者Scott Crump博士于1988年率先提出，随后于1991年开发了第一台商用成型机。FDM成型机主要包括液化器（喷头）、丝材供给装置、液化器移动控制部、加热工作室、工作台等部件组成。

   目前相关研究主要在以下几点内容：

熔丝材料：通常采用热塑性材料，而随着研究的深入，愈来愈多的新材料被研发出来，例如，1998年澳大利亚Swinbum工业大学，研究了金属-塑料复合材料丝；提高了材料的强度和硬度；1999年，Stratasys公司开发出水溶性支撑材料；近年，Stratasys公司开发的多彩混合材料等。

软件：Stratasys 公司开发针对FDM 的QuickSlice、针对Genisys系统的AutoGen3.0软件包；Helisys公司开发了面向Windows的LOMSlice软件；Solid Concepts公司开发了SolidView3.0软件。

液化器：液化器是FDM成型机中最为复杂的部分，目前，Stratasys公司为主要的研究者。国内进行FDM成型研究的机构主要有清华大学、华中科技大学、上海交通大学、西安交通大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学、北京隆源自动成形系统有限公司、北京航空工艺研究所和上海富奇凡机电科技有限公司等。

1.3 FDM-3D打印技术应用概况

   FDM成型工艺既能用在零件的概念设计与造型、功能试验场合，又能够直接用在零件设计与制造、工具（模具）设计以及机械设计等方面，具体为：

（1）零件设计制造与功能试验，航空航天、汽车工业、模具制造等；

（2）医学方面，例如假肢的设计与加工等；

（3）艺术品加工制作，装饰品等；

（4）单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。

2 FDM-3D打印技术专利申请概况

2.1 申请趋势以及技术分支分布

   对于Stratasys公司历年专利申请量进行分析，由图1可知，申请量呈现先降低后增加的趋势，这是由于3D打印技术一经推出便成为研究热点，然而由于打印成本高昂且技术储备不足导致其应用范围较窄，因而在2001年后专利申请量有所回落，而后期由于技术进步克服相关瓶颈导致成本降低以及人们对桌面级打印机市场广泛需求，导致申请量大幅增加。

   参见图2，笔者将Stratasys公司的专利技术分布做了以下归类，总体而言，可以分为四个技术大类，分别为液化器、打印方法、打印丝材和支撑结构。其中因为液化器是FDM成型装置最为重要的结构部分，因此针对液化器的改进的专利申请数量最多，其次打印方法和打印丝材

的改进的专利申请数量相当，紧随其后，最后是支撑材料的改进。目前，液化器的改进点主要集中在液化器结构、计算机和传感器等辅助手段的进一步应用以及液化器的清洁等方面，其中以液化器结构的改进专利申请量最多；打印方法的改进点主要集中在提高打印的精度和效率方面；打印丝材的改进点主要是丝材本身材质和结构的改进以及送丝机构的改进；支撑材料的改进点主要在于支撑材料本身材质以及支撑材料成型方法和结构的改进。以上内容将在下一部分进行展开描述。

未完待续；