3D 打印技术类别：Material Extrusion — 材料挤出 包含：FDM/FFF、碳纤维打印、金属丝（ADAM）、混凝土打印、硅胶（DIW）、生物打印
一、中文总结
1. 基本定义
材料经由喷嘴（nozzle）被选择性挤出并沉积在打印平台上，逐层堆叠形成三维实体的 AM 工艺。
2. 运动结构（Coordinate Systems / Configurations）
| 类型 | 原理 | 代表机器 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 笛卡尔（Cartesian） | X/Y 打印头 + Z 打印床 | Ultimaker、Raise3D、MakerBot | 精度高、一致性好、便宜 | 打印慢、高度受限、每轴 1 电机 |
| 三角洲（Delta） | 三臂联动 + 固定打印床 | WASP、FLSUN、Monoprice | 速度快、适合高件 | 底面小、维修升级难、Bowden 限制柔性材料 |
| 极坐标（Polar） | 旋转床 + 上下移动喷头 | Polar3D、Sculpto | 仅 2 电机、空间利用高 | 打印质量低 |
| SCARA | 两节机械臂 | RepRap Morgan、Ambots、Dobot | 比笛卡尔/极坐标快、结构轻 | 需高精度关节、校准繁琐 |
3. FDM / FFF 核心组件
挤出机（Extruder）
- Direct Drive（直驱）：电机直接把料送进喷头。优：低功耗、回抽快、电机小、适用柔性/磨蚀性线材；缺：打印头重、维护复杂。
- Bowden：电机固定在机架，用 PTFE 管把线材送至喷头。优：打印头轻、速度快、精度高；缺：需大电机、响应慢、不适合柔性或磨蚀性线材。
热端（Hot End）
- 两区设计：冷区（Cold zone）+ 热区（Hot zone），过渡距离要短。
- 部件：导向件、散热片、风扇、Heat break（隔热件）、Heat block（加热块）、温度探头、喷嘴。
- 选型要点：高温（>300°C → 镀镍铜块）、磨蚀材料（钛合金 heat break、耐磨喷嘴）、大幅面（>1 mm 喷嘴）、医疗/食品（不锈钢或钛）。
温度探头：Thermistor（常用、经济，<280°C）、Thermocouple（高温但易受电磁干扰）、PT100（最高 500°C、精度高、价格贵）。
喷嘴（Nozzle）：默认 0.4 mm，范围 0.1–1.2 mm；黄铜最常用（便宜但耐温/耐磨差）。喷嘴温度：过低层间粘接差 & 不粘床；过高则材料过软、无法搭桥。
线材（Filament）：1.75 mm（最常用，快速加热、体积比大、易潮解、易缠绕）vs 2.85 mm（适合 Bowden、易打柔性料、慢但流量大、不易吸潮）。
典型线材与特性
| 材料 | 打印温度 / 床温 | 特点 |
|---|---|---|
| PLA | 190–220 / 50–70°C | 最常用、易打印、可降解、脆 |
| ABS | 220–250 / 90–110°C | 强韧、耐热，但易翘曲、有毒烟 |
| PETG | — | 介于 PLA 与 ABS 之间 |
| TPE/TPU | — | 超柔，难挤（Bowden 尤难） |
| Nylon | 240–270 / 70–100°C | 强度、柔韧、耐用，贵、吸湿 |
| PC | 260–310 / 90–120°C | 极强、透明、耐冲击，翘曲严重 |
| PVA | 190–220 / 50–70°C | 水溶性支撑材料 |
4. 完整 FDM 工艺流程
- CAD 建模 → STL/IGES；
- Slicer（Insight / Catalyst）切层、生成支撑、生成 G-code；
- 线材送入热端熔融 → 喷嘴挤出 → 落在平台冷却固化；
- 层层累积直至完成；
- 去除支撑（Soluble Release 水溶、BASS 折断）；
- 必要时打磨、喷漆、退火等后处理。
5. 商业系统 — Stratasys Fortus（工业级 FDM）
- 双喷头：建模料 + 支撑料；切片厚度 0.127–0.330 mm。
- 优点：功能件性能接近注塑件、材料浪费少、支撑易去除、材料更换方便、可大幅面。
- 缺点：速度慢（受挤出流率限制）、冷却收缩不可预测、易有阶梯效应（staircase）。
- Continuous Build 3D Demonstrator：模块化量产，16 天 3500 件 vs 单机 100 件。
6. 其他商业与细分工艺
- 自制线材：Filament Extruder（Filabot EX2、3devo Precision 350、ProtoCycler+）：将颗粒料/粉碎的旧件重熔重拉成新线，回收时每次只打同一材料。
- Markforged X7（连续碳纤维复合 CFR）：Onyx（含短切碳纤维尼龙）基体 + 连续碳纤维/玻纤/Kevlar 增强，刚度接近铝而更轻；缺点：设备贵、材料受限、耐温一般。
- Markforged Metal X（ADAM）：挤出金属粉末+聚合物+蜡绑定线材 → 生坯（green）→ 脱脂（brown）→ 烧结成致密金属件。支撑用陶瓷释放层隔开。材料包括 17-4PH、316L、H13、A2、D2、Inconel 625、铜、钛。优点：比 DMLS/SLM 安全便宜、支撑易去；缺点：精度略低、有残余孔隙、脱脂+烧结耗时长、尺寸受限。
7. 3D 混凝土打印（3DCP）
- 原理：将水泥浆料通过打印头按 G-code 逐层沉积，无需模板（formwork）。
- 配置：
- 机械臂式：灵活机动，但打印尺寸受机械臂半径限制；
- 龙门式（Gantry）：线性导轨，精度高、可打大件，但移动困难、需现场组装。
- 材料成分：水泥、石灰石、塑化剂、硅灰、粉煤灰、偏高岭土、聚丙烯纤维、纳米二氧化硅。
- 优点：材料优化、可复杂造型、省材、省工、高产；缺点：可打印材料选择有限、设备运输复杂。
- 应用：3D 打印房屋、桥梁；NTU 一天打印整个浴室单元。
8. 硅胶打印（Silicone Printing / DIW）
- 传统做法：二组分液态硅胶倒入模具真空脱泡再固化成型。
- DIW 原理：两组分（A 基胶 + B 交联剂+铂催化剂）在静态混合器里混合，经精密挤出嘴沉积，室温氢化硅化加成反应（Pt 催化）交联固化。
- A: 乙烯基封端 PDMS（Vi-PDMS）— Si–CH=CH₂
- B: PMHS 交联剂 — Si–H + Pt 催化
- 产物：Si–CH₂–CH₂–Si，无副产物、低收缩、精度高。
- San Draw 的 Fluid AM（RTV/LSR）是世界首款硅胶 3D 打印技术。
- 可在液态载体浴（vat）中打印，无需支撑。
- 优点：真弹性、耐化学/高温、生物相容、可做复杂内部通道、免模具；缺点：比热塑性 FDM 慢、分辨率低于 SLA、材料贵。
- 应用：定制植入物/假体、软体机器人夹爪/执行器、柔性电子。
9. 3D 生物打印（Bioprinting）
- 挤出式原理：气压或机械力把粘稠生物墨（bio-ink）从打印盒挤出，承载活细胞+生物材料逐层构建。
- 常用生物墨：海藻酸钠、胶原、明胶、透明质酸（HA）、丝素蛋白、dECM、PEG、Pluronic F-127。
- 应用方向：
- 3D 解剖结构（组织工程支架）
- 仿生微环境（微舱室控制细胞组织化）
- 血管化：同轴挤出（外管生物材料 + 内管交联剂 → 空心通道）、牺牲通道（Pluronic F127 温敏可逆）。
10. 新趋势
- 多色 / 多材料打印（硬件融合线材、需优化熔接与色彩边界，避免 color bleeding）；
- 多喷头 multimaterial extrusion 打印头；
- 打印到支撑浴/介质中（Print-in-bath）— 可做 45° 以上悬垂；
- 颗粒料打印（Pellet-based）vs 线材打印 — 可用 PLA/TPU 共混多功能件。
二、English Summary
1. Definition
Material Extrusion selectively dispenses material through a nozzle layer by layer.
2. Machine Configurations
- Cartesian (X/Y head + Z bed): accurate & cheap but slow; Ultimaker, MakerBot.
- Delta (three-arm parallel): fast, tall prints; small base, Bowden-limited.
- Polar: two motors, space efficient; lower quality.
- SCARA: robotic arm, fast & minimalist; needs precise joints & calibration.
3. FDM / FFF Core Parts
- Extruder types: Direct drive — low torque, fast retraction, handles flexibles/abrasives, but heavier head. Bowden — light head, faster & smoother, but long tube slows response and restricts materials.
- Hot end: cold + hot zones with heat break; heat block, nozzle, temperature probe. Select based on max temperature, material abrasiveness, format size, medical/food compatibility.
- Temperature probes: Thermistor (cheap, <280°C) / Thermocouple (very high T, EM-noise sensitive) / PT100 (up to 500°C, expensive).
- Nozzle: default 0.4 mm; brass is common but limited in wear & temperature.
- Filament: 1.75 mm (fast melting, easy tangle, moisture-absorbing) vs 2.85 mm (flexible-friendly, high flow, less moisture).
- Materials: PLA (easy, biodegradable, brittle), ABS (strong, warping, fumes), PETG, TPE/TPU (flexible), Nylon (strong, hygroscopic), PC (strongest, warps), PVA (water-soluble support).
4. FDM Process
CAD → STL → slicing (Insight/Catalyst) → heated semi-liquid filament extruded → deposits → cools/solidifies → layer-by-layer; supports via soluble (RS) or breakaway (BASS) materials.
5. Commercial — Stratasys Fortus
Dual-nozzle industrial FDM (build + support), slice 0.127–0.330 mm. Pros: functional prototypes, low waste, easy support removal, large volumes (e.g. Fortus 900mc). Cons: slow, unpredictable shrinkage, staircase effect. The Continuous Build 3D Demonstrator makes 3,500 parts in 16 days vs 100 on single machine.
6. Other Branches
- Filament Extruder: pellets or shredded prints are melted and re-drawn into filaments (Filabot EX2, 3devo 350, ProtoCycler+).
- Markforged X7 uses Composite Filament Reinforcement (CFR): Onyx matrix + continuous carbon/glass/Kevlar reinforcement → high stiffness-to-weight; expensive and limited materials.
- Markforged Metal X uses Atomic Diffusion AM (ADAM): polymer+wax-bound metal filament → green → debinding (wash) → brown → sinter to metal part. Ceramic release layer for supports. Supports 17-4PH, 316L, H13, A2, D2, Inconel 625, Cu, Ti. Cheaper & safer than DMLS/SLM; lower resolution, some porosity, long post-processing.
7. 3D Concrete Printing (3DCP)
Cement-based paste is pumped through a print head (robotic arm or gantry) to build structures without formwork. Paste contains cement, plasticizer, silica fume, fly ash, metakaolin, fibres, nanosilica. Pros: material/labor savings, complex geometries. Cons: limited printable materials, hard-to-transport equipment. Used for houses, bridges, NTU bathroom unit.
8. Silicone Printing (DIW)
Two-part silicone (A = vinyl-PDMS, B = Si–H + Pt catalyst) mixed in static mixer → extruded → cures via Pt-catalysed hydrosilylation addition (no by-products, very low shrinkage). San Draw is the first commercial silicone 3D printing. Can print in a liquid vat (no supports). Pros: true elastomer, chemical/thermal resistance, biocompatible. Cons: slower than thermoplastic FDM, lower resolution than SLA, expensive material. Applications: implants, soft robotics, flexible electronics.
9. 3D Bioprinting (Extrusion-based)
Pneumatic or mechanical pressure extrudes viscous bio-inks. Common bio-inks: alginate, collagen, gelatin, HA, silk fibroin, dECM, PEG, Pluronic F-127. Applications: anatomical scaffolds, biomimetic microenvironments, vascularization via coaxial extrusion (material outside + crosslinker inside) or sacrificial channels (F127 removable).
10. New Trends
Multi-color/multi-material heads, hot-air fused dual filaments (color bleeding), printing into supporting bath (overhangs > 45°), pellet- vs filament-based printing (PLA/TPU blends).
三、速记要点 / Quick Recall
- ME 的本质：喷嘴逐层沉积熔融/糊状材料。
- FDM 两类挤出机：Direct vs Bowden；两种支撑：Soluble vs BASS。
- Markforged：X7 = 连续纤维复合、Metal X = ADAM（打印→脱脂→烧结）。
- 混凝土打印：机械臂 vs 龙门。
- 硅胶 DIW：铂催化加成反应（A 乙烯基 + B Si–H）。
- 生物打印：同轴挤出做血管、牺牲 F127 做通道。
