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马萨诸塞大学洛厄尔分校塑料工程教授卡兹默（Kazmer）率先采用的称为注射印刷的技术7月20日在线发布在学术期刊《增材制造》上。本发明结合了3D打印和喷射造型法的要素，一种通过用熔融材料填充模腔来制造物体的技术。这两种工艺的结合提高了三维印刷的生产率，同时增强了最终产品的强度和性能。
图形摘要
材料挤出，也称为熔融长丝制造（FFF）和熔融沉积建模（FDM），是一种增材制造技术，用于沉积熔化成所需形状的熔融聚合物。材料挤压可以创建复杂的设计，这种设计很难生产，或者通过传统制造无法实现。尽管材料挤出具有益处并得到广泛使用，但材料挤出应用中的主要限制因素可能包括部件强度有限，各向异性程度高，印刷分辨率差，表面光洁度不足，可重复性不足，收缩和翘曲不受控制，工艺可观察性和质量有限保证，生产率低，能效极低等等。
之前的研究已经开发了一些相关的材料挤出工艺，主要是为了提高印刷强度。Belter和Dollar描述了一种通过材料挤压“填充合成”增材制造零件的方法。他们特别描述了仔细地在印刷零件中放置空隙并用高强度树脂（例如环氧树脂）填充空隙，以将零件的整体强度和刚度分别提高多达45％和25％的方法。填充复合材料可在制成3D打印外壳并从3D打印机中取出后提供第二种树脂。相比之下，注射印刷在连续、交织的壳体印刷和注射过程中反复印刷壳体并填充空腔，灵活且快速地印刷具有改进性能的复杂几何形状。
一项更密切相关的研究是Duty等人开发的“ Z-Pinning”方法。在“Z钉”中，材料沉积在零件体积内的多个层上，对于某些材料和工艺，材料在z方向上的拉伸强度和韧性提高了3.5倍以上。然而，注入印刷在形成和注入的腔的形状和体积方面有所不同。具体而言，Z-Pinning（顾名思义）旨在通过主要垂直的填隙矩阵沉积材料，以形成互锁结构，从而提高零件强度。相比之下，注射打印形成相对较大和较深的腔体，这些腔体以更高的体积流速填充。以这种方式，注塑是注射成型和材料挤出的混合工艺，其中，增材制造零件是使用其印刷外壳作为自己的注塑模具来制造的。结果，注射印刷能够显着改善沉积速率和材料各向同性。
为了验证注射印刷相对于材料挤出的性能，生成了如下图所示的三部分几何形状。冲击试样和拉伸棒由丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）印刷而成。左侧为冲击试样，其长度为127 mm，宽度为3.2 mm，高度为12.7 mm。中间是水平拉伸试样，该试样在其主长度方向上印刷，平行于底板。它的总长度为127毫米，厚度为3.2毫米。夹紧端为17.7毫米宽，但通过50毫米半径向下缩颈至50.8毫米长和12.7毫米宽的量规部分。下图的最右边的样品是垂直测试样品，该样品成功且可靠地打印，其主要长度垂直于底板。该垂直拉伸样品具有与前述水平拉伸样品相同的几何形状。为了确保建筑板的附着力和稳定性，设计并印刷了带有三角形连接支柱的矩形筏。随后将该支撑物拧紧，而在拉伸试验中未发现不利影响。
为这项工作而印刷的样品包括（左上）用交替的空腔制成的冲击试样，（左下）用不同的壳体和空腔宽度制成的水平试样以及（右）用交替注射制成的垂直拉伸试样。
通过参考材料挤压（左）和注射印刷（右）制成的冲击试样的破坏面，其细部表明存在黑色空隙。
通过传统材料挤压（底部）和注射印刷（顶部）制成的面内拉伸试样的破坏面。
通过传统材料挤压（左）和注射印刷（右）制成的垂直拉伸试样的破坏面。
比较样品的拉伸和冲击结果，并对测试后的样品进行图像分析。已经发现，相对于使用相同线性印刷速度的常规材料挤出，注射印刷将印刷速度提高了3.2倍的平均速度。在性能方面，与材料挤出相比，注射印刷的拉伸棒（面内）的刚度，强度和破坏应变分别提高了21％47％和35％。
拉伸物体
材料挤压是增材制造工艺中最容易获得的一种，在过去的十年中，由于机器组件和开源代码的广泛普及，材料挤压取得了显著成就。然而，鉴于其更高的生产率，多喷嘴，粉末床和CLIP工艺的增长可能会掩盖材料挤出的进一步增长。本文所描述的注射印刷工艺是材料挤出和注射成型的相对简单的混合。尽管它并没有从根本上减少印刷工艺的尺寸，但它通过大大增加每个内部空腔的印刷量来解决尺寸问题。
该过程耗时约18个月。普利茅斯大学的奥斯汀·科伦(Austin Colon)是马萨诸塞大学洛厄尔分校塑料工程专业的博士生，他和卡兹默一起帮助验证了这项技术，卡兹默教授产品设计、原型制作和过程控制等课程。他已经申请了这项新技术的专利。