3.7　熔融沉積成形技術的應用

熔融沉積成形（FDM）工藝技術具有打印機結構簡單、操作方便、成形速度快、材料種類豐富且成本低等諸多優點。基于FDM工藝的3D打印技術已經越來越多地應用于各個領域，是目前應用領域廣、成熟度高、應用價值大和前景廣闊的3D 打印技術。

3.7.1　汽車工業

汽車工業隨著汽車工業的快速發展，人們對汽車輕量化、縮短設計周期、節約制造成本等方面提出了更高要求，而3D打印技術的出現為滿足這些需求提供了可能。在汽車生產過程中，大量使用熱塑性高分子材料制造裝飾部件和部分結構部件。與傳統加工方法相比，FDM 3D打印技術可以大大縮短這些部件的制造時間，在制造結構復雜部件方面更是將優勢展現得淋漓盡致，圖3-24為FDM 3D打印汽車空調外殼；同時，FDM 3D打印技術能夠一次成形，可以省去大部分傳統連接部件。圖3-25為FDM 3D打印組合儀表盤結構原件，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量。

FDM 3D打印技術在汽車零部件生產中的應用還包括后視鏡、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，冷卻水道采用傳統的制造方法幾乎無法實現；而采用FDM 3D打印技術制造的冷卻系統，冷卻速度快，部件質量明顯提高。此外，FDM 3D打印技術還可以進行多材料一體制造，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，已經有百余種零件能夠采用FDM 3D打印技術進行大規模生產，而且可制造零件種類和制造速度這兩個關鍵數值仍在繼續上升。在賽車等特殊用途汽車制造方面，個性化設計以及車體和部件結構快速更新的需求也將進一步推進FDM 3D 打印技術在汽車制造領域的發展和應用。

3.7.2　航空航天

隨著人類對太空以及地球外空間的逐步探索，進一步減小飛行器的質量就成為設備改進與研發的重中之重。采用FDM 3D打印技術制造的零件，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加工方法相比，所制得的零件質量更輕，符合飛行器改進與研發的需求。在飛機制造方面，波音公司和空客公司已經應用FDM 3D打印技術制造零部件。例如，波音公司應用FDM 3D打印技術制造了包括冷空氣導管在內的300余種不同的飛機零部件，空客公司應用FDM 3D打印技術制造了A380客艙使用的行李架。

在航天領域，所需設備和部件均需從地面運輸至太空，一方面限制了其尺寸，另一方面運輸過程中的苛刻環境也會對其使用性能產生不良影響。因此，如果能在太空中直接采用FDM 3D打印技術制造所需設備或部件，在降低成本和保證性能方面都具有極大的優勢。利用FDM 3D打印技術，2014年11月國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打印技術在航天領域應用的案例之一。隨著相關技術的進步，更多艙內設備甚至是艙外大尺寸結構部件的打印制造都有可能成為現實。由于FDM 3D打印技術使用的材料為熱塑性工程塑料，有望在太空中實現“制品打印→材料回收→材料再次打印利用”這一循環過程，實現太空中廢棄材料的回收再利用。

3.7.3　醫療衛生

在醫療行業中，患者一般在身體結構、組織器官等方面存在一定差異，醫生需要采用不同的治療方法、使用不同的藥物和設備才能達到最佳的治療效果，而這也導致治療過程中往往不能使用傳統的量產化產品。FDM 3D打印技術個性化制造這一特點符合了醫療衛生領域的要求。目前FDM 3D打印技術在醫療衛生領域的應用以人體模型制造和人造骨移植材料為主。某些精密手術想要取得預期的治療效果，就必須采取最佳的手術方式，但通常情況下不允許醫生通過多次實踐得出結論，給手術帶來一定難度和風險。FDM 3D打印技術可以和CT、核磁共振等掃描方法相結合，在手術前通過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的成功概率，增強手術治療效果。

精確打印器官等人體模型的作用并不只局限于提高手術效果。在當今供體越發稀少且潛在供體不匹配等情況下，通過FDM 3D打印技術制造的外植體為解決這一緊急問題提供了一種全新的方法。2013年3月，美國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；荷蘭烏特勒支藥學研究所利用羥甲基乙交酯（HMG）與ε-CL 的共聚物（PHMGCL），通過纖維熔體沉積技術得到3D 組織工程支架。新加坡南洋理工大學用聚ε-己內酯（PCL）制造出可降解3D 組織工程支架。

3.7.4　教育教學

在課堂上，教具與模型可以讓學生更清楚地理解一些抽象的理論原理，對于提升教學效果具有顯著的作用。不同學科所需教具種類繁多，且隨著課本內容的改進，教具形式也在不斷變化，通過傳統成形技術生產更新換代較快的教具成本較高，而能夠做到快速個性化生產的FDM 3D打印技術使得這些問題迎刃而解。

目前FDM 3D打印技術更多的是作為教學環境，在英國21個試點學校、美國的北卡羅來納州立大學以及我國上海市靜安區多所學校中，FDM 3D打印技術已經在具體課堂上體現了其作為教學環境的價值和作用；并且美國許多學校正在推廣的TI 公司的“3D 投影機領航項目”，也將進一步推動FMD 3D打印技術融入教學環境。此外，一些國家和組織正在探索3D打印應用于STEM 課程（指科學、技術、工程、數學課程總稱），以推動技術驅動的教學創新，使得技術工程教育和藝術人文教育融合成為學校文化的一部分，而這無疑有助于FDM 3D 打印技術更好地融入到教學環境中。

在目前教學環境中，FDM 3D打印技術主要用于制作立體教具、輔助學生進行創新設計、強化互動和協作學習。隨著3D打印熱的持續升溫和打印技術的繼續發展，FDM 3D打印技術極有可能作為一項獨立的科目躋身于教學內容中去，包括如何設計圖樣、如何建模和使用 3D打印機實現打印成形。

3.7.5　食品加工

與使用其他熱塑性材料相似，FDM 3D打印技術可以使用巧克力、糖漿等能夠加熱熔化、冷卻凝固的食材進行加工，在無需使用模具的條件下制出形狀奇特的食用產品，使得產品在外觀上更加誘人。因此，許多公司都在努力嘗試將FDM 3D打印技術應用于食品制造行業。例如，3D System展出的Chefjet 和 Chefjet Pro兩款3D打印機，巴塞羅那 Natural Machines公司推出的一款消費級的食品打印機。除了傳統打印食材，FDM 3D打印技術可以利用從人類目前不食用的物質中提取出需要的營養成分，加工成食品。例如，食用昆蟲對于大部分人來講是一件不太容易接受的事情，英國科學家們經過歐盟和世界糧食組織同意，開發了一種可以把食用昆蟲轉換成面粉方法，再通過FDM 3D打印技術將食物打印出來，這個項目被稱為“昆蟲焗”。目前，FDM 3D打印技術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。如果通過提取食材內部本身具有的營養物質并制成線材的形狀，實現熔融擠出，FDM 3D打印技術在食品加工中的應用將會更加廣泛。隨著可打印食材的豐富，通過調節打印食材的配比，可以加工出更加符合人類營養需求的食物，并且如果應用在航天領域，可以進一步豐富宇航員的食譜。

3.7.6　其他應用

在建筑領域中，FDM 3D 打印技術能夠制作出符合設計需求的建筑物模型，從而驗證樓宇結構設計是否符合要求；在機器人制造領域，FDM 3D打印技術能夠一次成形連接件，從而將舵機連接在一起，完成機器人的組裝；在模具制造領域，由于FDM 3D打印技術具有諸多優點，對于生產內部結構復雜的模具具有無與倫比的速度優勢。