1 研究概況
1.1 研究背景、內容和目的
上世紀八十年代，3D打印-快速成型制造技術（Rapid Prototyping and Manufacturing，RPM）問世，在短短的幾十年間，關于快速成型制造技術的相關技術領域得到了高速發展。雖然快速成型制造技術得到了長足的發展，但很顯然，國內外對其研究還不成熟，尚有眾多改進余地，尤其是高昂的制造成本大大限定了該項技術的發展，熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）則是RPM 技術中大量應用的一種，由于FDM是RPM中唯一一種不需要激光器的成型方式，這種成型機的價格最低，近年來，國內外各大企業、高校針對FDM成型技術做了大量的研究工作，但目前FDM成型產品還存在諸如較大的翹曲變形、較低的產品尺寸精度、較低的致密度和表面光潔度等，這就需要深入的分析和研究FDM成型過程的機理和它的產品零件的密度、強度、精度的影響因素。而Stratasys公司是FDM成型技術的全球領跑者，已在全球安裝了大量的原型和直接數字化生產系統，其數量之多沒有其他任何一家公司能及。公司通過為原型創造性地推出產品級材料，引導Real PartsTM的直接數字化生產，從而成為技術革新的佼佼者。Stratasys公司目前占有41%的市場份額，已經連續5年在市場上領跑。
本文主要通過對Stratasys公司針對FDM成型領域的專利申請進行詳細分解，理清該公司在FDM領域的技術脈絡，發掘FDM領域及其相關的領域的重點專利技術，為我國的FDM成型研究提供一定的參考。
1.2 FDM-3D打印技術研究概況
FDM工藝由美國學者Scott Crump博士于1988年率先提出，隨后于1991年開發了第一臺商用成型機。FDM成型機主要包括液化器（噴頭）、絲材供給裝置、液化器移動控制部、加熱工作室、工作臺等部件組成。
目前相關研究主要在以下幾點內容：
熔絲材料：通常采用熱塑性材料，而隨著研究的深入，愈來愈多的新材料被研發出來，例如，1998年澳大利亞Swinbum工業大學，研究了金屬-塑料復合材料絲；提高了材料的強度和硬度；1999年，Stratasys公司開發出水溶性支撐材料；近年，Stratasys公司開發的多彩混合材料等。
軟件：Stratasys 公司開發針對FDM 的QuickSlice、針對Genisys系統的AutoGen3.0軟件包；Helisys公司開發了面向Windows的LOMSlice軟件；Solid Concepts公司開發了SolidView3.0軟件。
液化器：液化器是FDM成型機中最為復雜的部分，目前，Stratasys公司為主要的研究者。國內進行FDM成型研究的機構主要有清華大學、華中科技大學、上海交通大學、西安交通大學、南京航空航天大學、哈爾濱工業大學、大連理工大學、北京隆源自動成形系統有限公司、北京航空工藝研究所和上海富奇凡機電科技有限公司等。
1.3 FDM-3D打印技術應用概況
FDM成型工藝既能用在零件的概念設計與造型、功能試驗場合，又能夠直接用在零件設計與制造、工具（模具）設計以及機械設計等方面，具體為：
（1）零件設計制造與功能試驗，航空航天、汽車工業、模具制造等；
（2）醫學方面，例如假肢的設計與加工等；
（3）藝術品加工制作，裝飾品等；
（4）單件、小批量和特殊復雜零件的直接生產。
2 FDM-3D打印技術專利申請概況
2.1 申請趨勢以及技術分支分布
對于Stratasys公司歷年專利申請量進行分析，由圖1可知，申請量呈現先降低后增加的趨勢，這是由于3D打印技術一經推出便成為研究熱點，然而由于打印成本高昂且技術儲備不足導致其應用范圍較窄，因而在2001年后專利申請量有所回落，而后期由于技術進步克服相關瓶頸導致成本降低以及人們對桌面級打印機市場廣泛需求，導致申請量大幅增加。
參見圖2，筆者將Stratasys公司的專利技術分布做了以下歸類，總體而言，可以分為四個技術大類，分別為液化器、打印方法、打印絲材和支撐結構。其中因為液化器是FDM成型裝置最為重要的結構部分，因此針對液化器的改進的專利申請數量最多，其次打印方法和打印絲材
的改進的專利申請數量相當，緊隨其后，最后是支撐材料的改進。目前，液化器的改進點主要集中在液化器結構、計算機和傳感器等輔助手段的進一步應用以及液化器的清潔等方面，其中以液化器結構的改進專利申請量最多；打印方法的改進點主要集中在提高打印的精度和效率方面；打印絲材的改進點主要是絲材本身材質和結構的改進以及送絲機構的改進；支撐材料的改進點主要在于支撐材料本身材質以及支撐材料成型方法和結構的改進。以上內容將在下一部分進行展開描述。
未完待續；
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