基于FDM 3D 打印顆粒擠出機的結構設計研究

譚富德，王克用，郭根清，張凱，曾人宇

（201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

隨著科學技術的發展，對智能化工業生產的需求越來越高，3D 打印已成為當今一種不可或缺的先進生產技術[1]，多品種、小批量生產模式已成為企業現代經營的一種方式[2]。3D 打印技術從20 世紀出現到廣泛應用，僅用了30 余年時間。3D 打印機不僅用于工業生產，也逐漸進入家庭。目前3D 打印機的機型有熔融成積型（Fused Deposition Modeling，FDM）、光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、三維印刷型（3D Printing，3DP）、選擇性激光燒結型（Selective Laser Sintering，SLS）等，熔融成積型3D 打印機適應范圍廣，主要耗材為PLA、ABS，因無毒無害而受到推崇，可家用。常見的FDM 打印機的結構有三角洲、COXY 以及比較經典的I3 結構等。

根據《中國增材制造產業發展報告（2020年）》，中國3D 打印產業規模為208 億元，同比增長32.06%。伴隨著產業發展，也出現了一些問題，如打印精度不夠、打印速度不高、材料受限及廢料處理等。其中，合理利用打印廢料，實現“綠色”打印是問題的重中之重。

1 快速成型技術的原理和工藝過程

與注塑磨具等傳統加工方法不同，3D 打印技術使用多種建模、切片等軟件，通過電腦程序控制機器擠出材料，通過多層累積疊加的方法產生新的家用或商用模具。先將用UG、SolidWorks 等三維建模軟件繪制的模型通過上機位以STL 格式傳輸到Cura 等切片軟件，然后根據模型大小設置切成不同的“層”，也可根據不同的軟件設置不同的支撐材料、支撐方式，不同尺寸的模型需要切片的時間也不同。打印系統模型如圖1 所示。在計算機規定的路徑下進行逐層打印，將熔融狀態的絲材逐層堆積并與上一層成型部分的絲材粘結在一起，循環此過程，最終實現打印[3]。不同于減材制造方法，3D 打印是通過噴頭、噴嘴進行材料堆積的一種制品加工方法[4]。打印工藝流程如圖2 所示。

圖1 FDM 3D 打印系統模型Fig.1 FDM 3D printing system model

圖2 FDM 3D 打印工藝Fig.2 FDM 3D printing process

2 熔體微分3D 打印原理及特點

熔體微分3D 打印是基于熔融沉積型方法的一種成型工藝，成型過程包括耗材熔融、按需擠出、堆積成型3 部分[5]，基本結構如圖3 所示。

圖3 熔體微分3D 打印基本結構Fig.3 Fundamentals of melt differential 3d printing

粒料在通過漏斗容器進入裝置內后，在驅動電機的作用下，由螺桿向下施加一定的壓力，推動已經加熱的粒料向下運動，通過熱流道后，經過閥針驅動裝置向下輸送給噴嘴，噴嘴在熱力、動力、重力的共同作用下輸送至噴嘴，最后由噴嘴擠出，實現層層打印。熔化的顆粒體的“微單元”按需填充相關區域，并層層堆積，最終形成三維制品。

熔體微分3D 成型方法有以下特點：（1）采用螺桿式供料裝置，可使用一些在生產中出現的廢棄材料進行利用，意味著并不一定要用固體絲材進行打印，增加了熔融沉積型打印機所用耗材的使用范圍；（2）加入了熔體擠出控制裝置，防止出現普通FDM 3D 打印過程中出現的噴頭漏料，甚至溢出的情況；（3）通過一定的切片軟件的操作，這種成型方法能夠精準控制噴出的流量和擠出速率，提高廢棄料的使用率，保護環境，節約成本，提高打印效率。

3 顆粒擠出機3D 打印機的設計

FDM 型顆粒擠出機設計主要包括：顆粒擠出機的組成，顆粒擠出機電機、噴嘴的選擇，熔體內部結構設計等。擠出機設計圖如圖4 所示。

圖4 顆粒擠出機Fig.4 Pellet extruder

3.1 零部件組成

FDM 顆粒擠出頭裝置由一個42 步進電機、一個口徑0.6 mm 的噴頭、喉管、特制螺釘、六角螺母、連接件、風扇、熱敏、熱棒及打印固定件組成。

3.2 電機、噴嘴的選擇

選擇電機時應考慮驅動電流和步距精度角等的因素，FDM 顆粒擠出機的驅動電流不能過大，選擇4988 驅動器默認電流，在滿足電機不發熱的情況下使電機正常轉動并且存在“丟步”（電機轉速低于正常值）情況，螺桿擠出的力量較大，應選擇力矩較小的電機；若電機出現不丟步情況，一旦顆粒將電機卡住，則會引起擠出機爆炸。所以應選擇較小電流，使用4988 驅動器默認電流，并且選擇步進精度角較小的電機。步距精度角過大，顆粒易卡住電機。常見的42 和57 步進電機主要參數如表1 所示，最終選擇最大力矩小且尺寸較小的42電機。

表1 42 和57 步進電機主要參數Tab.1 Comparison of main parameters of 42-step motor and 57-step motor

選擇噴嘴時應考慮打印件質量大小，如果用于家用，打印小物件時可選擇使用0.6 mm 噴頭，因為0.6 mm 噴頭回抽效果比較明顯，與FDM 常見的遠程/進程打印機相差不大。0.6 mm 噴頭對打印物料有一定要求，如果物料過大或者有雜質等，會產生堵塞。較常見的0.8 mm 噴頭，對物料要求稍低，且回抽效果也在接受范圍內，兼容性比較均衡。如果物料的雜質較多或打印大型物件則可以選擇直徑為1.0 mm 的噴頭，打印效率高，對物料的要求相對較低，擠出效率可達100.7 kg/h，打印速度較快，但回抽效果不夠理想。各噴頭測試結果如表2 所示。

表2 不同直徑的噴嘴效果對比Tab.2 Comparison of nozzle effects with different diameters

3.3 熔體精密內部結構設計

要實現熔體的可控制擠出，應保持所用耗材在融化過程中能夠保持穩定的熔融狀態，可精準輸送至下一裝置，且在閥腔入口處有穩定的壓力供給。因此，顆粒擠出型螺桿的設計是本文的重點，受打印機結構尺寸限制采用微型螺桿。通過流變分析[6]及螺桿式熔融擠壓快遞成型裝置[7-8]相關模型，得到微型螺桿尺寸、轉速、顆粒擠出效率及支撐件壓力的關系式，為熔融沉積型顆粒擠出機的設計提供理論依據。

螺桿轉速與顆粒擠出流量效率的關系，由于螺桿直徑尺寸較小，其弧面效應不能忽略，因此不能使用無限平板理論公式[9]。Li 等[10]在邊界條件下計算分析等溫、牛頓流體參數的情況，提出了幾何參數、轉速和耗材粘稠度關系的表達式分別為

式中：Rb——螺桿外徑半徑；p——熔體壓力；——拖曳影響參數；——壓力流影響參數；ω=2πn，n——轉速。

王天明[11]根據Li 等[10]的理論模型，演算得出螺桿顆粒擠出效率表達式，如式（6）—式（8）。

螺桿旋轉運動產生的拖曳流Qd為

還要考慮流動過程中因壓力而產生的影響Qp

由式（6）—式（8）可知，槽深越大壓力流越大，計算量段長度越大壓力流越小，為減少壓力流應增加長度。式（7）、式（8）代入式（6）可得

經實驗及計算可得，n=200 r/min，螺桿總長度為966 mm，螺旋升角為12°，螺桿直徑為10 mm，計算段螺槽與螺桿半徑之比為0.18。此時裝置可以正常運轉。

3.4 問題及解決方案

3.4.1 裝置堵住的處理辦法

（1）噴頭堵塞解決方法：需將溫度加熱到200 ℃，使前端粒料融化，并待冷卻后將噴嘴取出或更換；（2）腔體堵塞解決方法：需將溫度加熱至210 ℃，在上機位反復點擊10 mm 擠出直至螺桿與攪拌倉分離，并進行拆解與更換腔體。

3.4.2 廢料打粉的方法

（1）粉碎機選用800G 及以上機型，粉碎廢料較為徹底，使用方便；（2）廢料應避免多種材質混合，如PLA 中混入PETG 或者ABS，打印中易出現擠出不暢，此時溫度可適當提高至210～215 ℃，不高于230 ℃，否則擠出機內部螺桿腔易產生磨損；（3）打粉機的電機螺母使用尼龍防滑螺母，原裝螺母易脫落，造成故障或者危險；（4）用點動開關控制打粉機啟動，每次打粉時間為3～5 s，不宜超過10 s，經三四次打粉后取粉過篩，收集過篩的物料，其余放回打粉機，重復以上步驟；（5）每次打粉機開蓋之前要切斷電源，以免誤啟動刀片飛出造成傷害。

需要注意的是，打粉機不能過熱，否則會使粉料融化。顆粒直徑小于0.5 mm 或長度小于5 mm 的物料，最好過篩3 次，不要混入金屬或者熔點高的物體如毛發等細長絲。

4 結語

由于熔融沉積型3D 打印發展體系還并不完善，所以FDM 3D 打印機在打印過程中出現粒料浪費的情況。本文利用熔體微分的原理，采用流變分析及螺桿式熔融擠壓快遞成型裝置的相關模型，對FDM 3D 打印顆粒擠出機結構進行整體設計研究，并進行實驗測試，并對于噴頭堵塞和廢料打粉提出了相應的解決方案，實現了精準控制擠出速率，提高廢棄料的使用率，節約了使用成本提高了打印效率，為后續綠色設計提供參考。