馬世博　閆華軍　李碩超　梁帥　周興邦

摘 要：FDM 3D打印機(jī)多采用由顆粒狀熱塑性材料加工而成的絲狀熱塑性材料，材料成本較高，且由于材料本身絲狀的幾何形狀難以實(shí)現(xiàn)均勻混合，使得FDM彩色混色3D打印技術(shù)具有一定的局限性，難以實(shí)現(xiàn)多色混色打印。針對(duì)以上問(wèn)題，根據(jù)傳統(tǒng)擠出技術(shù)并結(jié)合熔融沉積（FDM）技術(shù)特點(diǎn)，研制了粒料式FDM 3D打印設(shè)備供料及擠出系統(tǒng)，原材料直接選用顆粒狀塑料，并設(shè)計(jì)了多個(gè)進(jìn)料口、儲(chǔ)料倉(cāng)和排氣螺桿，進(jìn)料采用穴播輪控制方式。設(shè)計(jì)結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)不同顏色、不同塑料進(jìn)料量的合理配比，使顆粒塑料實(shí)現(xiàn)充分熔化、加壓、均化、排氣、再均化、擠出過(guò)程，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)材質(zhì)的粒料3D打印過(guò)程及多色混色打印過(guò)程。所提出的設(shè)計(jì)可以使用粒料直接進(jìn)行3D打印，既降低了制料成本、縮短了制料周期，又實(shí)現(xiàn)了廢料的有效利用，可為3D打印技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：塑性加工工藝與設(shè)備;材料成型;熔融沉積成型;粒料;多料口;螺桿

中圖分類號(hào)：TQ320.63 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.7535/hbkd.2019yx05009

Design of 3D printing feeding system and extrusion system

based on fused deposition modeling （FDM） technology with

multiple material inlet and granule as raw material

MA Shibo， YAN Huajun， LI Shuochao， LIANG Shuai， ZHOU Xingbang

（School of Materials Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：Mostly filamentous thermoplastic materials processed from granular thermoplastic materials are used by FDM 3D printers， which has high material cost， and it is difficult to reach uniform mixing due to the filamentary geometry of the material itself， so Multicolor FDM 3D printing technology has been limited，and it is difficult to realize Multi-color mixed printing. For the above questions， according to the traditional extrusion technology combined with the characteristics of fused deposition modeling（FDM） technology， the granular FDM 3D printing equipment feeding and extrusion system is designed， the granular plastics as raw material is directly selected， and multiple inlets， storage bins and exhaust screw are designed， the material is controlled by the hole-drilling. the reasonable ratio of different colors and different feed rate of granular plastic can be realized by the design result. The exhaust screw related to fully melt， pressurize， homogenize， vent， re-homogenize and extrude the granular plastic is designed. The 3D printing process of homogeneous material and the Multi-color mixed color printing process are realized. The design proposed in the paper can be directly used for 3D printing by using granule， which not only reduces the material production cost and cycle， but also realizes the effective utilization of waste materials， providing a reference basis for the development of 3D printing technology.

Keywords：plastic processing technology and equipment; material molding; fused deposition modeling; granulated plastic; multiple material inlet; screw

增材制造技術(shù)（3D打印技術(shù)）以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，采用逐層疊加的方式進(jìn)行物品生產(chǎn)制作，此技術(shù)目前在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工（AEC）、汽車、航空航天、醫(yī)療[1]、教育[2]、地理信息系統(tǒng)、土木工程等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。熔融沉積成型技術(shù)（FDM，fused deposition modeling）[3]是增材制造技術(shù)的一種，將熱塑性材料熔化、擠出后沿一定軌跡進(jìn)行堆積成型，所用的絲狀熱塑性材料采用塑料顆粒原料，經(jīng)加熱熔化、拉絲、冷卻、卷絲多道[4]工序制作而成。制絲過(guò)程工序繁瑣，且需要使用專用設(shè)備，在一定程度上增加了材料的成本，并使材料制作周期變長(zhǎng)。

目前，已有的粒料FDM 3D打印機(jī)有德國(guó)ARBURG公司的freeformer3D打印機(jī)[5]、意大利WASP公司的Delta WASP顆粒3D打印機(jī)等。Freeformer3D打印機(jī)通過(guò)振針敲擊將顆粒材料熔化成液滴實(shí)現(xiàn)打印，成型效果可觀，但其為工業(yè)級(jí)設(shè)備，造價(jià)較高;Delta WASP顆粒3D打印機(jī)采用螺桿旋進(jìn)進(jìn)行粒料的供給，其儲(chǔ)料區(qū)隨噴頭的移動(dòng)而移動(dòng)，存在的慣性會(huì)影響打印精度。這些打印機(jī)均實(shí)現(xiàn)了由粒料直接進(jìn)行打印的技術(shù)突破，為粒料FDM 3D打印機(jī)的研制提供了依據(jù)和可行性。

本文設(shè)計(jì)了一種基于FDM技術(shù)的粒料3D打印供料及擠出系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)由顆粒狀粒料直接進(jìn)行打印的功能，通過(guò)設(shè)置多個(gè)進(jìn)料口，在不同進(jìn)料口放置不同顏色的粒料，通過(guò)控制不同料口進(jìn)料的比例，實(shí)現(xiàn)顏色混合，從而達(dá)到顏色多樣性的效果。

1 粒料3D打印機(jī)設(shè)計(jì)思路

為降低FDM 3D打印材料成本，擬設(shè)計(jì)一套采用粒料供料方式的FDM 3D打印機(jī)。如圖1所示為設(shè)備總裝圖，從上至下依次為供料系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、成型區(qū)3部分，其中供料系統(tǒng)由第1儲(chǔ)料倉(cāng)、第2儲(chǔ)料倉(cāng)、穴播輪、步進(jìn)電機(jī)等組成，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的旋進(jìn)作用帶動(dòng)穴播輪實(shí)現(xiàn)粒料的定量定速進(jìn)給;擠出系統(tǒng)由料筒、噴頭、加熱塊、加熱棒、螺桿、排氣閥等組成，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，粒料進(jìn)入料筒的同時(shí)，通過(guò)固定在加熱塊上的加熱棒進(jìn)行加熱變?yōu)槿廴趹B(tài)，隨螺桿的旋進(jìn)作用從噴嘴擠出;成型區(qū)主要為制件成型工作區(qū)，噴頭在xy平面隨成型軌跡運(yùn)動(dòng)，伴隨擠出系統(tǒng)的擠料作用，將熔融態(tài)塑料沿軌跡擠在打印平臺(tái)上，平臺(tái)在z軸方向做直線運(yùn)動(dòng)，每打印完一層平臺(tái)將下移一個(gè)層厚，使噴頭繼續(xù)擠出材料從而完成打印。

2 粒料存儲(chǔ)及輸送結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

粒料FDM 3D打印機(jī)的原材料為顆粒狀塑料，需設(shè)計(jì)物料存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，而且為實(shí)現(xiàn)多色物料混合，需設(shè)計(jì)獨(dú)立盛放原材料的結(jié)構(gòu)[6-7]。粒料存儲(chǔ)及輸送結(jié)構(gòu)的固定方式如圖1所示，儲(chǔ)料倉(cāng)及步進(jìn)電機(jī)通過(guò)螺栓及墊板分別固定在設(shè)備框架的不同支架上。圖2所示為粒料存儲(chǔ)及輸送結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)由4個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)室組成，各存儲(chǔ)室出口通過(guò)導(dǎo)料管與打印機(jī)供料機(jī)構(gòu)相連，可通過(guò)穴播輪來(lái)控制各存儲(chǔ)室連通導(dǎo)料管的粒料量，實(shí)現(xiàn)不同粒料的供給量。

2.1 送料裝置結(jié)構(gòu)

在裝置運(yùn)行過(guò)程中，需對(duì)粒料進(jìn)行定量控制及運(yùn)輸工作。粒料的不連續(xù)性使得定量控制受到了一定程度的限制。為此，設(shè)計(jì)穴播器[8]式送料結(jié)構(gòu)，有效地解決了粒料不連續(xù)性問(wèn)題。

圖3為穴播輪結(jié)構(gòu)示意圖。穴播輪是具有一定數(shù)目穴槽、并具有運(yùn)輸控制功能的裝置，其表面具有的穴槽可進(jìn)行對(duì)粒料的存儲(chǔ)，旋轉(zhuǎn)穴播輪將上方的粒料輸送至下方，通過(guò)電機(jī)控制轉(zhuǎn)速大小可實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒狀材料的定量運(yùn)輸。

目前市場(chǎng)上的顆粒狀熱塑性塑料顆粒直徑尺寸大部分在2～3 mm，考慮到顆粒的不規(guī)則性，穴槽直徑應(yīng)略大于顆粒直徑，結(jié)合實(shí)際加工要求，取穴槽直徑d=4 mm。3D打印機(jī)一般使用的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高，送料速度應(yīng)與打印速度保持一致。參考已有設(shè)備的打印速度及供料速度，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為30～100 r/min，確定穴槽個(gè)數(shù)為n=3×8（共3列，每列8個(gè)）?？紤]到送料過(guò)程中的連續(xù)性及穩(wěn)定性問(wèn)題，將3列穴槽交錯(cuò)排列，使粒料最大程度地穩(wěn)定持續(xù)輸送。結(jié)合穴槽數(shù)目及大小確定穴槽輪直徑及長(zhǎng)度，得出D輪=13 mm，L輪=13 mm。

根據(jù)對(duì)穴播輪旋轉(zhuǎn)送料過(guò)程的分析，在同一導(dǎo)料管內(nèi)的同一高度最多可存在2顆塑料顆粒，而塑料顆粒直徑均在2～3 mm范圍內(nèi)，因此選取內(nèi)徑為8 mm的尼龍管作為裝置的導(dǎo)料管，避免了在粒料輸送過(guò)程中存在卡料、堵塞的問(wèn)題。同時(shí)，導(dǎo)料管在豎直方向需為單向傳送，避免粒料在導(dǎo)料管內(nèi)存在堆積情況。結(jié)合具體位置結(jié)構(gòu)，送料口至進(jìn)料口的最長(zhǎng)距離為260 mm，考慮到在噴頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于各位置送料口與進(jìn)料口之間的角度不同，導(dǎo)料管須有一定的彎曲量，因此導(dǎo)料管的長(zhǎng)度取280 mm。

2.2 儲(chǔ)料裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為配合多個(gè)進(jìn)料口的彩色打印功能，如圖2中將第1儲(chǔ)料倉(cāng)分為大小相同的4部分，用于存放3種顏色及白色顆粒狀材料。儲(chǔ)料倉(cāng)結(jié)構(gòu)為上部方形、下部收口結(jié)構(gòu)，便于連接導(dǎo)管。上方大口為進(jìn)料口，用于材料的儲(chǔ)放與增補(bǔ)，根據(jù)擬定的最大打印尺寸（300 mm×300 mm×300 mm），設(shè)備外形水平尺寸為390 mm×450 mm，為保證設(shè)備整體協(xié)調(diào)性及安裝問(wèn)題，將第1儲(chǔ)料倉(cāng)尺寸定為350 mm×350 mm×150 mm（第1儲(chǔ)料倉(cāng)4個(gè)倉(cāng)室的整體尺寸）;下方小口與穴播輪配合，實(shí)現(xiàn)材料的定量輸送[9]，其內(nèi)腔尺寸與穴播輪進(jìn)行配合，為13 mm×13 mm，另考慮與導(dǎo)料管接頭的連接裝配，其高度定為25 mm;兩口間的過(guò)渡采用拔模方式，結(jié)合料倉(cāng)具體尺寸，拔模角度取60°[6]。

穴播輪解決了粒料不連續(xù)的控制輸送問(wèn)題，但粒料的不連續(xù)性仍存在于材料的擠出部分。為解決材料在擠出過(guò)程中的連續(xù)性問(wèn)題，在送料系統(tǒng)末端、擠料系統(tǒng)之前設(shè)置第2儲(chǔ)料倉(cāng)。第2儲(chǔ)料倉(cāng)通過(guò)對(duì)粒料的收集及儲(chǔ)存，能夠起到充分調(diào)整粒料均勻性和實(shí)現(xiàn)擠出物料連續(xù)性的作用，同時(shí)第2儲(chǔ)料倉(cāng)所存的物料有限，其物料具有的慣性有限，對(duì)工作中的噴頭影響不大。

第2儲(chǔ)料倉(cāng)的大小需滿足條件：1）工作狀態(tài)中的正常運(yùn)作，保證物料在擠出過(guò)程中的連續(xù)性;2）第2儲(chǔ)料倉(cāng)及其存儲(chǔ)物料的總質(zhì)量應(yīng)遠(yuǎn)小于噴頭擠出裝置的總質(zhì)量，以便降低裝置在工作狀態(tài)中因慣性導(dǎo)致打印精度不足的影響;3）第2儲(chǔ)料倉(cāng)可實(shí)現(xiàn)多色物料初步混合過(guò)程，為保證進(jìn)行多色打印過(guò)程中色彩轉(zhuǎn)換過(guò)渡時(shí)的精確度，第2儲(chǔ)料倉(cāng)的大小不宜過(guò)大。螺桿為兩次變槽深結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)充分混合和加壓的作用，第2儲(chǔ)料倉(cāng)具體尺寸大小需根據(jù)螺桿大小而定，為方便配合螺桿進(jìn)行粒料旋進(jìn)擠出，下方設(shè)有一定錐度，為保證旋進(jìn)作用力及旋進(jìn)過(guò)程的流暢性，拔模角度取30°[10]。

2.3 送料過(guò)程分析

粒料在供料系統(tǒng)內(nèi)的輸送[11]共分為3個(gè)階段：物料裝載階段（第1階段，如圖4 a）所示），將4種不同顏色的物料分別放入第1儲(chǔ)料倉(cāng)的4個(gè)不同倉(cāng)室，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)對(duì)穴播輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)顆粒狀材料的定速定量控制，同時(shí)根據(jù)物料大小對(duì)穴播輪上的穴槽尺寸及分布進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確保材料在此階段可順利輸送，正常情況下不會(huì)發(fā)生卡料等現(xiàn)象;顆粒狀材料通過(guò)出料口進(jìn)入導(dǎo)管（第2階段，如圖4 b）所示），每根導(dǎo)料管內(nèi)徑均大于兩粒物料的直徑和，可保證兩粒物料同時(shí)在同一根導(dǎo)料管內(nèi)進(jìn)行輸送，而根據(jù)穴播輪穴槽的排布可知，同一穴播輪在同一時(shí)間內(nèi)最多可對(duì)兩顆粒料進(jìn)行輸送，綜合以上兩點(diǎn)，可確保粒料在此階段的順暢輸送;粒料通過(guò)導(dǎo)料管進(jìn)入第2儲(chǔ)料倉(cāng)（第3階段，如圖4 c）所示），第2儲(chǔ)料倉(cāng)與擠料螺桿直接相連，可對(duì)一定量的粒料進(jìn)行暫時(shí)儲(chǔ)存，在打印工作開始前先開啟供料系統(tǒng)，在第2儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行少量的粒料儲(chǔ)存，在儲(chǔ)量達(dá)到一定值后進(jìn)行擠出打印工作，此過(guò)程通過(guò)對(duì)輸送的顆粒狀材料進(jìn)行儲(chǔ)存，保證了擠出過(guò)程中的連續(xù)性問(wèn)題。

3 擠料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擠出結(jié)構(gòu)是對(duì)供料結(jié)構(gòu)輸送的粒料進(jìn)行加熱、熔化、塑化，在打印過(guò)程中進(jìn)行擠出功能，通過(guò)絲杠及光軸的導(dǎo)向及支撐作用，擠出結(jié)構(gòu)在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下可在x，y兩軸運(yùn)動(dòng)，將材料按指定的軌

跡涂覆在平臺(tái)或制件已成型的部分。

在第2儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)，采用單螺桿結(jié)構(gòu)[12-13]實(shí)現(xiàn)粒料的混合和擠出，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使變結(jié)構(gòu)螺桿產(chǎn)生旋向力，從而實(shí)現(xiàn)粒料的輸送，并結(jié)合加熱裝置，在輸送的同時(shí)實(shí)現(xiàn)熔化、壓縮、均化，最后經(jīng)過(guò)噴嘴擠出然后進(jìn)行打印。另外，由于顆粒狀塑料在進(jìn)入擠出裝置時(shí)會(huì)帶入一定量的空氣及水分，為將空氣及水分排出，還需設(shè)計(jì)單獨(dú)的排氣裝置。擠料結(jié)構(gòu)和螺桿如圖5所示。

3.1 螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在螺桿旋進(jìn)運(yùn)輸過(guò)程中，需實(shí)現(xiàn)融料、壓縮、均化3個(gè)基本功能，根據(jù)不同的功能，將螺桿分為加料段、壓縮段、均化段（計(jì)量段）3段[14-18]。

FDM 3D打印機(jī)所用材料ABS為無(wú)定型（非結(jié)晶）塑料，所需壓縮段長(zhǎng)度較長(zhǎng)，一般占螺桿有效長(zhǎng)度的45%～50%[15]。壓縮段長(zhǎng)度根據(jù)長(zhǎng)徑比來(lái)確定。

加料段在壓縮段上方，其作用是產(chǎn)生足夠的穩(wěn)定壓力，保證穩(wěn)定的固體輸送并將分界面上的塑料預(yù)熱到熔融所需的溫度。為此，應(yīng)保證加料段具有足夠的長(zhǎng)度，初定加料段長(zhǎng)度在螺桿有效長(zhǎng)度的25%～45%[13]。

剩余部分為均化段，在確定其余兩段長(zhǎng)度后，剩余部分為此段長(zhǎng)度。考慮到實(shí)際情況，均化段長(zhǎng)度的增加可提高螺桿均化效果，最后可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加均化段長(zhǎng)度，以保證螺桿的工作質(zhì)量。

在螺桿的設(shè)計(jì)過(guò)程中，各段長(zhǎng)度增加可保證螺桿在成型過(guò)程中穩(wěn)定工作及塑件的性能，這就增大了螺桿的長(zhǎng)徑比。長(zhǎng)徑比的增加使塑料在料筒中塑化更均勻、更充分，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。但長(zhǎng)徑比的增加使螺桿加工、裝配難度增大，并且使螺桿在使用過(guò)程中易發(fā)生彎曲，易與料筒發(fā)生刮蹭摩擦，降低螺桿使用壽命?？紤]到螺桿的排氣功能設(shè)計(jì)，取值定為15～25 mm/mm。

3.2 螺桿槽深及壓縮比設(shè)計(jì)

螺桿結(jié)構(gòu)如圖6所示，壓縮比是螺桿加料段第1個(gè)螺槽容積與均化段最后1個(gè)螺槽容積之比，它決定了螺桿均化段內(nèi)物料的裝填程度，取決于物料本身的收縮性、加料時(shí)的松密度、以及擠料過(guò)程中塑料的回流等因素。查閱粒料顆粒排列方式，計(jì)算出物料裝填時(shí)的致密度為0.74，物理壓縮比為1.35。FDM 3D打印技術(shù)常用材料為熱塑性材料，PLA收縮率為0.3～0.5，ABS收縮率為0.5～0.8[19-25]，綜合考慮，設(shè)計(jì)壓縮比ε為1.8。

壓縮比決定了槽深大小。為保證材料進(jìn)入螺桿不發(fā)生卡料等現(xiàn)象，考慮市場(chǎng)塑料顆粒大小在3 mm以下，而螺桿大小應(yīng)與噴頭裝置尺寸相當(dāng)，最終確定進(jìn)料端槽深H1為3.5 mm。

槽深H與螺桿直徑D之間的關(guān)系式為

H=（0.18～0.25）D，（1）

為使螺桿在符合使用要求的前提下螺桿體積達(dá)到最小，取值為H1=0.25D，可得螺桿直徑D為14 mm。

根據(jù)式（2）計(jì)算后取1位小數(shù)，可得均化段槽深為1.8 mm，實(shí)際壓縮比為1.74。

ε=（D-H₁）H₁/（D-H₂）H₂，（2）

式中：ε為螺桿壓縮比;H1 為加料段第1個(gè)槽深深度;H2為均化段最后1個(gè)槽深深度。

螺桿其他參數(shù)的確定。

單頭螺紋螺桿的螺距、螺旋升角和螺桿直徑之間關(guān)系見式（3）。

S=πDtan Φ?? ，（3）

式中：S為螺桿螺距;Φ為螺旋升角。

從流體輸送的角度講，螺紋升角Φ為30°[15]時(shí)傳輸效果達(dá)到最佳，但從加工的角度考慮，一般令S=D，此時(shí)螺紋升角Φ=17°42′。

螺紋頂峰寬度的計(jì)算如式（4）所示：

e=（0.08～0.12）D，（4）

式中e為螺紋頂峰寬度。

當(dāng)頂峰寬度e取較大值時(shí)，會(huì)增加冷面上的功率消耗，同時(shí)還會(huì)減小螺槽容積;較小時(shí)會(huì)使漏流增加，降低生產(chǎn)效率，同時(shí)還會(huì)加速螺桿的磨損，降低螺桿強(qiáng)度。綜合以上兩點(diǎn)考慮，取頂峰寬度e=0.1D。

螺桿裝配間隙太小會(huì)造成螺桿與料筒摩擦嚴(yán)重，使用壽命縮短，間隙太大會(huì)造成熔料回流嚴(yán)重，效率降低，同時(shí)降低打印質(zhì)量，結(jié)合目前市場(chǎng)上螺桿的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將間隙定為δ=0.15 mm。

3.3 排氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

排氣螺桿[15]如圖7所示，該螺桿由2部分組成，排氣口前1段為一階螺桿，由加料段、第1壓縮段、第1均化段組成;第2部分叫二階螺桿，由排氣端、第2壓縮段、第2均化段等組成;在第1均化段與排氣段的過(guò)渡過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一段直徑驟然變小的區(qū)域，稱為減壓區(qū)，這部分長(zhǎng)度占比很小，但卻不可或缺。

塑料在排氣螺桿上經(jīng)歷3個(gè)階段。

1）塑料在第1階段中經(jīng)過(guò)壓縮、加熱達(dá)到基本塑化狀態(tài)。

2）基本塑化的塑料在進(jìn)入排氣段后，由于排氣段槽深突然加深，壓力急劇降低成負(fù)壓狀態(tài)。塑料熔體受壓縮的氣體和氣化揮發(fā)物的影響，在熔體中形成氣泡，接著在螺桿的攪拌作用下氣泡破裂，其中的氣體從排氣口排出。

3）最后已經(jīng)過(guò)排氣處理的熔體通過(guò)第2壓縮段和第2均化段，重新受到壓縮和進(jìn)一步均化，從擠出頭擠出進(jìn)行打印。

當(dāng)排氣螺桿在工作狀態(tài)時(shí)，塑料在進(jìn)入排氣段之前應(yīng)保證基本塑化，這一要求使得螺桿第1部分應(yīng)具有充足的長(zhǎng)度，按照目前螺桿設(shè)計(jì)的要求，一般第1部分長(zhǎng)度占全長(zhǎng)的53%～58%[15]，減壓段長(zhǎng)度不應(yīng)大于1D，排氣段長(zhǎng)度Lv≥3D，且排氣段槽深

H_v=MH₂，（5）

式中：Hv為排氣段槽深;M為螺桿排氣系數(shù)，一般取M=2.5～6。

第2壓縮段長(zhǎng)度不大于2D，由于攪拌均勻，定壓定量擠出等方面的功能主要由第2均化段決定，所以第1均化段可稍短一些。

為確保螺桿在滿足要求的前提下減小螺桿體積，根據(jù)以上現(xiàn)有螺桿設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行微調(diào)，以滿足直接粒料FDM 3D打印機(jī)的裝配及使用要求，螺桿設(shè)計(jì)的最終結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，研發(fā)了多料口粒料3D打印穴播輪供料系統(tǒng)及螺桿擠出系統(tǒng)。其中，對(duì)于穴播輪供料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)穴播輪定速控制及不同出料口中穴播輪速度的配合，可實(shí)現(xiàn)不同物料的定速、定量配比;經(jīng)第2儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)攪拌器的攪拌作用，可實(shí)現(xiàn)均質(zhì)材質(zhì)的初步混合，完成不同顏色的調(diào)配工作。有關(guān)螺桿擠出系統(tǒng)方面，結(jié)合現(xiàn)有注塑成型過(guò)程及

理論，對(duì)現(xiàn)有螺桿進(jìn)行設(shè)計(jì)及改進(jìn)，使之用于FDM 3D打印機(jī)上。顆粒狀塑料在螺桿的旋進(jìn)作用下經(jīng)螺桿的不同部位，先后完成熱塑性材料的壓縮、均化、塑化過(guò)程。在此期間，通過(guò)螺桿排氣結(jié)構(gòu)的排氣作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)熔融狀熱塑性塑料中夾雜的氣體、水蒸氣等進(jìn)行有效排放。通過(guò)上述2個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及現(xiàn)有FDM 3D打印設(shè)備運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，可以完成粒料直接3D打印工作，一方面可以省去粒料制絲工序，降低材料成本并節(jié)省制料周期，另一方面，可實(shí)現(xiàn)廢料的有效利用，將殘余廢料經(jīng)剪切成顆粒后可直接進(jìn)行打印。

4 結(jié) 論

針對(duì)熔融沉積成型（FDM）技術(shù)供料方式，采用穴播輪送料、螺桿擠出方式，設(shè)計(jì)多料口粒料3D打印供料及擠出系統(tǒng)，得到以下結(jié)論：

1）以FDM技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，采用螺桿旋進(jìn)擠料方式實(shí)現(xiàn)顆粒狀材料的進(jìn)給過(guò)程，結(jié)合第2儲(chǔ)料倉(cāng)的設(shè)計(jì)，解決了顆粒狀材料擠出過(guò)程的連續(xù)性問(wèn)題。

2）采用穴播輪結(jié)構(gòu)，根據(jù)打印速度協(xié)調(diào)4個(gè)出料口穴播輪的旋轉(zhuǎn)速度，達(dá)到送料過(guò)程中定量配送的目的，實(shí)現(xiàn)不同配比的多色打印過(guò)程。

3）完成螺桿多次改變槽深結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)改變槽深大小，經(jīng)加熱熔化后，在進(jìn)給過(guò)程中實(shí)現(xiàn)顆粒狀熱塑性塑料的壓縮、均化過(guò)程，結(jié)合排氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)擠料過(guò)程中顆粒狀材料夾雜的空氣及水蒸氣進(jìn)行排放，解決在成型過(guò)程中由熔融態(tài)材料夾雜的氣泡影響制件性能的問(wèn)題。

本文針對(duì)FDM粒料3D打印的供料及擠料過(guò)程提出了相應(yīng)的實(shí)施方法，并對(duì)擠出過(guò)程中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)與理論計(jì)算，針對(duì)多色打印轉(zhuǎn)換過(guò)程中由于混合程度及殘余物料而引起的色差問(wèn)題，可根據(jù)對(duì)第2儲(chǔ)料倉(cāng)大小及其他參數(shù)的控制進(jìn)行混料精度的調(diào)整，具體的調(diào)整參數(shù)及方法將在接下來(lái)的研究過(guò)程中進(jìn)行相應(yīng)的推導(dǎo)計(jì)算及實(shí)踐。

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