談到3D打印擠出工藝，我們常常想到的是使用線(xiàn)材的熔融沉積成型（FDM）或熔融長(zhǎng)絲制造（FFF）技術(shù)。但是，請(qǐng)不要忽視線(xiàn)材實(shí)際上是由顆粒制成的。實(shí)際上，可以直接使用原材料進(jìn)行打印，這種技術(shù)被稱(chēng)為熔融顆粒制造（FGF），它正在帶來(lái)新的制造可能性。

FGF（熔融顆粒制造）技術(shù)，又稱(chēng)顆粒3D打印，在工業(yè)制造領(lǐng)域正變得越來(lái)越受歡迎。與傳統(tǒng)的FDM/FFF技術(shù)相比，直接使用塑料顆粒進(jìn)行打印具有很多優(yōu)勢(shì)。本文將探討顆粒3D打印技術(shù)，詳述其工作原理，優(yōu)點(diǎn)和限制，并介紹用于顆粒制造的設(shè)備。

工作原理

實(shí)際上，使用顆粒進(jìn)行打印與常見(jiàn)的FDM/FFF 3D打印具有相同的工作原理。不同之處在于顆粒3D打印需要一種特殊的擠出機(jī)，其關(guān)鍵組成部分是螺桿。這類(lèi)似于傳統(tǒng)塑料擠出和注塑成型中使用的螺桿和機(jī)筒技術(shù)。

螺桿在機(jī)筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)，將塑料顆粒從料斗輸送到噴嘴。擠出機(jī)通常具有多個(gè)加熱區(qū)，將塑料熔化成均勻的熔融體，并保持恒定的溫度和流量以實(shí)現(xiàn)一致的擠出。在螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力下，熔融材料通過(guò)噴嘴被擠出到打印平臺(tái)上。

優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的3D打印線(xiàn)材需要通過(guò)原材料的加熱會(huì)降低其性能——加熱越多，降解越嚴(yán)重。為了減少這種降解，必須添加添加劑。因此，結(jié)果與初始材料存在很大差異。然而，直接使用顆粒材料可以避免這些變化，使用戶(hù)能夠繞過(guò)這些降解，并更接近于注塑成型中使用的塑料的化學(xué)和物理特性。

此外，F(xiàn)GF技術(shù)還有以下優(yōu)勢(shì)：

材料選擇廣泛：FGF可使用多種類(lèi)型的熔融顆粒材料，包括塑料、金屬和陶瓷，甚至可以通過(guò)組合不同顆粒制造定制復(fù)合塑料。

打印速度更快：由于顆粒擠出機(jī)具有較大的加熱區(qū)和寬口徑噴嘴，與FDM/FFF相比材料吞吐量可能高出近100倍。顆粒打印機(jī)具有更快的打印速度和更高的吞吐量，在打印大型零件時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

更具成本效益：FGF使用顆粒材料，與線(xiàn)材相比，材料成本要低得多，因?yàn)樗辉傩枰?jīng)過(guò)額外的加工處理。據(jù)估算，采用顆粒材料每公斤打印成本可降低65%至90%。

適用范圍更廣：材料多樣性和高速打印為用戶(hù)提供更廣泛的材料選擇，以滿(mǎn)足不同應(yīng)用需求。FGF廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，如原型制作、定制零部件生產(chǎn)、工具和夾具制造等。

更環(huán)保可持續(xù)：除使用原始顆粒原料外，F(xiàn)GF技術(shù)還可以使用回收材料進(jìn)行打印，從而顯著減少甚至消除塑料廢物，有益于環(huán)境保護(hù)。失敗的打印件或支撐結(jié)構(gòu)可以被粉碎并再次用于打印。

除了這些優(yōu)勢(shì)外，該技術(shù)也存在局限性。顆粒3D打印更適用于中到大型零件尺寸，不適合制造精細(xì)細(xì)節(jié)，同時(shí)也不適合打印復(fù)雜幾何形狀的零件；另外由于沒(méi)有回抽功能，可能導(dǎo)致材料滲漏。

設(shè)備

顆粒3D打印機(jī)最初主要是大型機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，后面延申到了三角洲和龍門(mén)架等多種機(jī)型。目前，這種技術(shù)主要以工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)為主，桌面級(jí)顆粒3D打印機(jī)較為少見(jiàn)。

創(chuàng)想三帝（創(chuàng)想三維的子公司）曾推出名為G5的桌面級(jí)顆粒3D打印機(jī)，后來(lái)又推出了工業(yè)級(jí)顆粒3D打印機(jī)G12，其打印尺寸更大。

從功能性來(lái)看，市場(chǎng)上的大多數(shù)顆粒3D打印機(jī)主要使用單一顆粒進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)行打印，例如一邁科技推出的FAST JET 1500，其尺寸長(zhǎng)寬高均達(dá)到1.5米，擠出溫度高達(dá)500℃。

同時(shí)，也有一些機(jī)器能夠兼容顆粒擠出和線(xiàn)材擠出，甚至混合顆粒/線(xiàn)材擠出。例如，3D Systems推出的EXT Titan Pellet系列顆粒3D打印機(jī)可以兼容數(shù)百種顆粒材料和數(shù)十種線(xiàn)材材料。

另外，一些機(jī)器不僅僅用于打印，還集成了CNC加工工藝，實(shí)現(xiàn)了增減材一體化。酷鷹科技推出的五軸增減材一體機(jī)（BGAM）就是其中之一，能夠?qū)崿F(xiàn)10米級(jí)工件的一體化生產(chǎn)。

除了專(zhuān)注于3D打印的設(shè)備廠商外，一些傳統(tǒng)的工業(yè)巨頭也對(duì)顆粒3D打印表現(xiàn)出濃厚的興趣。例如，愛(ài)普生在2022年3月正式推出了新型的工業(yè)顆粒擠出3D打印機(jī)，適用于各種顆粒材料。同年6月，博世工業(yè)增材制造（BIAM）發(fā)布了名為MVP的顆粒3D打印機(jī)。

而德國(guó)的阿博格公司多年前就推出了基于顆粒料擠出的Freeformer系列3D打印機(jī)。此外，國(guó)產(chǎn)注塑機(jī)行業(yè)的龍頭公司伊之密也在2020年推出了SpaceA系列工業(yè)顆粒3D打印機(jī)。

也有一些顆粒3D打印機(jī)，除了可以打印包括工業(yè)聚合物、熱塑性塑料、混合復(fù)合顆粒以及再生塑料等，甚至可以處理金屬注射成型中使用的金屬顆粒。

如果不想購(gòu)買(mǎi)新的顆粒3D打印機(jī)，還有一種選擇，就是購(gòu)買(mǎi)單獨(dú)的顆粒擠出機(jī)進(jìn)行設(shè)備升級(jí)。例如，Dyze Design推出的Pulsar大型高流量塑料顆粒擠出機(jī)，具備三區(qū)加熱和防滲機(jī)制，吞吐量達(dá)到2.5kg/h，可以與3D打印機(jī)或機(jī)械臂配合使用。

應(yīng)用

顆粒3D打印技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，盡管存在一些限制，但其優(yōu)勢(shì)使其成為大規(guī)模制造和批量生產(chǎn)中的有力選擇。例如，在航空航天、汽車(chē)、船舶、模具、雕塑等領(lǐng)域，顆粒3D打印技術(shù)都能夠帶來(lái)巨大的益處。此外，家具和室內(nèi)設(shè)計(jì)師也可以通過(guò)顆粒3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)降低成本。

有一些實(shí)際應(yīng)用案例進(jìn)一步展示了顆粒3D打印的環(huán)境效益。例如，在2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)的頒獎(jiǎng)典禮中，98個(gè)領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)都是3D打印的。這些領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)由日本超過(guò)2000個(gè)地點(diǎn)回收的24.5噸塑料制成，體現(xiàn)了顆粒3D打印在大型活動(dòng)中的可持續(xù)應(yīng)用。

此外，成都龍泉驛區(qū)驛馬河公園的“流云橋”也是顆粒3D打印的成功應(yīng)用案例之一。這座橋長(zhǎng)66.8米，其中3D打印部分長(zhǎng)21.58米，寬8米，高2.68米。通過(guò)顆粒3D打印技術(shù)和高分子ASA+20%玻璃纖維定制材料，成功地制造了橋面，與鋼骨架疊合，實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似一般鋼結(jié)構(gòu)人行橋的承重能力。

與傳統(tǒng)的FDM/FFF制造相比，顆粒3D打印技術(shù)在工業(yè)制造中具有諸多優(yōu)勢(shì)。大規(guī)模和批量生產(chǎn)變得更加高效，顆粒3D打印允許多樣化的顆粒選擇，同時(shí)能夠使用定制和回收材料進(jìn)行打印，為未來(lái)提供了廣闊的前景。

談到3D打印擠出工藝，我們常常想到的是使用線(xiàn)材的熔融沉積成型（FDM）或熔融長(zhǎng)絲制造（FFF）技術(shù)。但是，請(qǐng)不要忽視線(xiàn)材實(shí)際上是由顆粒制成的。實(shí)際上，可以直接使用原材料進(jìn)行打印，這種技術(shù)被稱(chēng)為熔融顆粒制造（FGF），它正在帶來(lái)新的制造可能性。

FGF（熔融顆粒制造）技術(shù)，又稱(chēng)顆粒3D打印，在工業(yè)制造領(lǐng)域正變得越來(lái)越受歡迎。與傳統(tǒng)的FDM/FFF技術(shù)相比，直接使用塑料顆粒進(jìn)行打印具有很多優(yōu)勢(shì)。本文將探討顆粒3D打印技術(shù)，詳述其工作原理，優(yōu)點(diǎn)和限制，并介紹用于顆粒制造的設(shè)備。

工作原理

實(shí)際上，使用顆粒進(jìn)行打印與常見(jiàn)的FDM/FFF 3D打印具有相同的工作原理。不同之處在于顆粒3D打印需要一種特殊的擠出機(jī)，其關(guān)鍵組成部分是螺桿。這類(lèi)似于傳統(tǒng)塑料擠出和注塑成型中使用的螺桿和機(jī)筒技術(shù)。

螺桿在機(jī)筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)，將塑料顆粒從料斗輸送到噴嘴。擠出機(jī)通常具有多個(gè)加熱區(qū)，將塑料熔化成均勻的熔融體，并保持恒定的溫度和流量以實(shí)現(xiàn)一致的擠出。在螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力下，熔融材料通過(guò)噴嘴被擠出到打印平臺(tái)上。

優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的3D打印線(xiàn)材需要通過(guò)原材料的加熱會(huì)降低其性能——加熱越多，降解越嚴(yán)重。為了減少這種降解，必須添加添加劑。因此，結(jié)果與初始材料存在很大差異。然而，直接使用顆粒材料可以避免這些變化，使用戶(hù)能夠繞過(guò)這些降解，并更接近于注塑成型中使用的塑料的化學(xué)和物理特性。

此外，F(xiàn)GF技術(shù)還有以下優(yōu)勢(shì)：

材料選擇廣泛：FGF可使用多種類(lèi)型的熔融顆粒材料，包括塑料、金屬和陶瓷，甚至可以通過(guò)組合不同顆粒制造定制復(fù)合塑料。

打印速度更快：由于顆粒擠出機(jī)具有較大的加熱區(qū)和寬口徑噴嘴，與FDM/FFF相比材料吞吐量可能高出近100倍。顆粒打印機(jī)具有更快的打印速度和更高的吞吐量，在打印大型零件時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

更具成本效益：FGF使用顆粒材料，與線(xiàn)材相比，材料成本要低得多，因?yàn)樗辉傩枰?jīng)過(guò)額外的加工處理。據(jù)估算，采用顆粒材料每公斤打印成本可降低65%至90%。

適用范圍更廣：材料多樣性和高速打印為用戶(hù)提供更廣泛的材料選擇，以滿(mǎn)足不同應(yīng)用需求。FGF廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，如原型制作、定制零部件生產(chǎn)、工具和夾具制造等。

更環(huán)保可持續(xù)：除使用原始顆粒原料外，F(xiàn)GF技術(shù)還可以使用回收材料進(jìn)行打印，從而顯著減少甚至消除塑料廢物，有益于環(huán)境保護(hù)。失敗的打印件或支撐結(jié)構(gòu)可以被粉碎并再次用于打印。

除了這些優(yōu)勢(shì)外，該技術(shù)也存在局限性。顆粒3D打印更適用于中到大型零件尺寸，不適合制造精細(xì)細(xì)節(jié)，同時(shí)也不適合打印復(fù)雜幾何形狀的零件；另外由于沒(méi)有回抽功能，可能導(dǎo)致材料滲漏。

設(shè)備

顆粒3D打印機(jī)最初主要是大型機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，后面延申到了三角洲和龍門(mén)架等多種機(jī)型。目前，這種技術(shù)主要以工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)為主，桌面級(jí)顆粒3D打印機(jī)較為少見(jiàn)。

創(chuàng)想三帝（創(chuàng)想三維的子公司）曾推出名為G5的桌面級(jí)顆粒3D打印機(jī)，后來(lái)又推出了工業(yè)級(jí)顆粒3D打印機(jī)G12，其打印尺寸更大。

從功能性來(lái)看，市場(chǎng)上的大多數(shù)顆粒3D打印機(jī)主要使用單一顆粒進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)行打印，例如一邁科技推出的FAST JET 1500，其尺寸長(zhǎng)寬高均達(dá)到1.5米，擠出溫度高達(dá)500℃。

同時(shí)，也有一些機(jī)器能夠兼容顆粒擠出和線(xiàn)材擠出，甚至混合顆粒/線(xiàn)材擠出。例如，3D Systems推出的EXT Titan Pellet系列顆粒3D打印機(jī)可以兼容數(shù)百種顆粒材料和數(shù)十種線(xiàn)材材料。

另外，一些機(jī)器不僅僅用于打印，還集成了CNC加工工藝，實(shí)現(xiàn)了增減材一體化。酷鷹科技推出的五軸增減材一體機(jī)（BGAM）就是其中之一，能夠?qū)崿F(xiàn)10米級(jí)工件的一體化生產(chǎn)。

除了專(zhuān)注于3D打印的設(shè)備廠商外，一些傳統(tǒng)的工業(yè)巨頭也對(duì)顆粒3D打印表現(xiàn)出濃厚的興趣。例如，愛(ài)普生在2022年3月正式推出了新型的工業(yè)顆粒擠出3D打印機(jī)，適用于各種顆粒材料。同年6月，博世工業(yè)增材制造（BIAM）發(fā)布了名為MVP的顆粒3D打印機(jī)。

而德國(guó)的阿博格公司多年前就推出了基于顆粒料擠出的Freeformer系列3D打印機(jī)。此外，國(guó)產(chǎn)注塑機(jī)行業(yè)的龍頭公司伊之密也在2020年推出了SpaceA系列工業(yè)顆粒3D打印機(jī)。

也有一些顆粒3D打印機(jī)，除了可以打印包括工業(yè)聚合物、熱塑性塑料、混合復(fù)合顆粒以及再生塑料等，甚至可以處理金屬注射成型中使用的金屬顆粒。

如果不想購(gòu)買(mǎi)新的顆粒3D打印機(jī)，還有一種選擇，就是購(gòu)買(mǎi)單獨(dú)的顆粒擠出機(jī)進(jìn)行設(shè)備升級(jí)。例如，Dyze Design推出的Pulsar大型高流量塑料顆粒擠出機(jī)，具備三區(qū)加熱和防滲機(jī)制，吞吐量達(dá)到2.5kg/h，可以與3D打印機(jī)或機(jī)械臂配合使用。

應(yīng)用

顆粒3D打印技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，盡管存在一些限制，但其優(yōu)勢(shì)使其成為大規(guī)模制造和批量生產(chǎn)中的有力選擇。例如，在航空航天、汽車(chē)、船舶、模具、雕塑等領(lǐng)域，顆粒3D打印技術(shù)都能夠帶來(lái)巨大的益處。此外，家具和室內(nèi)設(shè)計(jì)師也可以通過(guò)顆粒3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)降低成本。

有一些實(shí)際應(yīng)用案例進(jìn)一步展示了顆粒3D打印的環(huán)境效益。例如，在2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)的頒獎(jiǎng)典禮中，98個(gè)領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)都是3D打印的。這些領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)由日本超過(guò)2000個(gè)地點(diǎn)回收的24.5噸塑料制成，體現(xiàn)了顆粒3D打印在大型活動(dòng)中的可持續(xù)應(yīng)用。

此外，成都龍泉驛區(qū)驛馬河公園的“流云橋”也是顆粒3D打印的成功應(yīng)用案例之一。這座橋長(zhǎng)66.8米，其中3D打印部分長(zhǎng)21.58米，寬8米，高2.68米。通過(guò)顆粒3D打印技術(shù)和高分子ASA+20%玻璃纖維定制材料，成功地制造了橋面，與鋼骨架疊合，實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似一般鋼結(jié)構(gòu)人行橋的承重能力。

與傳統(tǒng)的FDM/FFF制造相比，顆粒3D打印技術(shù)在工業(yè)制造中具有諸多優(yōu)勢(shì)。大規(guī)模和批量生產(chǎn)變得更加高效，顆粒3D打印允許多樣化的顆粒選擇，同時(shí)能夠使用定制和回收材料進(jìn)行打印，為未來(lái)提供了廣闊的前景。