Essentium公司新工藝讓FDM 3D打印Z軸更堅固
熔融沉積成型（FDM）是最為常見的一種3D打印技術，該技術因為相對簡單、成本相對低廉、適應性強而在很多領域都有著廣泛的應用。但是FDM有著一個經常被人忽視、但很重要的缺陷，那就是使用FDM技術打印出來的3D對象，在Z軸方向上不像在X軸和Y軸方向上那么結實。這是因為線材在X軸和Y軸方向上是作為連續(xù)的線被擠出的，而在Z軸方向上則是一層層疊加的。因此，FDM技術3D打印出來的對象更容易沿著Z軸斷裂。
為了使FDM 3D打印擁有各向同性的強度，即強度在每一個方向上相同，熱塑性復合材料研究公司Essentium Materials和FDM打印機制造商Cosine Additive攜手，共同開發(fā)出了一款能使打印對象Z軸強度更高的FDM 3D打印機。
據(jù)了解，這個想法是由 C. Brandon Sweeney三年前在美國陸軍研究實驗室的時候提出來的，當時他是這個項目的主要發(fā)明者及技術負責人。使用德克薩斯理工大學和德克薩斯農機大學授權的技術，Sweeney開發(fā)出了一種熱焊接裝置，這種裝置可以連接到FDM 3D打印機的打印頭上。當3D打印機打印了一定層數(shù)之后，該裝置就會利用一種電場將這些層融合在一起。
Essentium公司的技術主管Blake Teipel描述了這個過程：“當您利用FDM工藝逐層沉積材料時，層與層之間的聚合物鏈并不互相作用，他們只是簡單地彼此疊加而已。但當你施加了大量的熱能后，它們就可以融化在一起。這就是它們的強度所在。”
Essentium公司是在大約一年前介入該項目的，當時Essentium的團隊才開始研究FDM 3D打印自身的缺陷，就已經把各向同性強度的缺乏作為一個需要解決的主要問題。繼而，研究團隊在尋找可能的技術來解決這一問題的時候，接觸到了Sweeney和他的成果。于是，雙方一拍即合，Essentium團隊憑借著自己在材料方面的專長，和這位發(fā)明者一同合作來使他的技術商業(yè)化。
Cosine Additive隨后也參與了該機器平臺的開發(fā)。開發(fā)團隊使用Sweeney的裝置對Cosine Additive已有的AM1 3D打印機進行了改造。由此開發(fā)出的新型EM1 3D打印機安裝了一套全新的電子器件、電場發(fā)射器，并在機器兩側加裝了屏蔽裝置，以防止內部能量傷害到操作者。
Essentium公司則為該系統(tǒng)提供了專用的材料，目前主要是一種帶碳納米管涂層的PLA線材。EM1在使用該碳納米管PLA復合材料3D打印時，一旦材料沉積超過1英寸，電場機會將相應的層數(shù)熔合在一起。
Teipel解釋了為什么要選擇電場這種方式。“由于它是一種電場，你可以用它從各方面穿透整個材料。從這一方面講，它比超聲波、激光或其他熱處理技術都有優(yōu)勢。即它不局限于表面處理。”據(jù)悉，使用這一技術3D打印的部件具有的層間強度相當于材料在打印之前強度的95%。
根據(jù)Teipel的說法，目前該技術最適合的應用是承重假肢裝置的制作。雖然3D打印一直被認為是創(chuàng)建低成本定制的假臂和義手的強大工具，但是在3D打印承重下肢裝置方面一直進展不大。
目前，Essentium的姐妹公司TriFusion Devices已經開始為小腿假肢3D打印定制的接受腔。Trifusion公司，其CEO是Teipel，還開發(fā)出了一種基于微波的熱焊接工藝，提高了FDM部件的Z軸強度。
Teipel解釋說，利用電場和微波技術，“我們可以在一夜之間3D打印出承重接受腔，而不是4至8周的生產周期。”此外，在今年內4月份Trifusion還憑借著他們的解決方案在Rice商業(yè)計劃競賽（RBPC）中勝出，并得到近40萬美元以啟動其業(yè)務。
Essentium和Cosine目前正在為其EM1 3D打印機尋找Beta測試客戶，他們準備在一年之內正式推出商業(yè)化的機型。任何對EM1有興趣的個人或機構都可以通過Blake@EssentiumMaterials.com郵箱與Teipel聯(lián)系。
（編譯自Engineering.com）
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