基于錐形螺桿擠出單元的熔融沉積成型3D打印機及實驗研究

冷 杰，許 祥，陳 寧，吳俊杰，王 琪，張 杰*

(1.高分子材料工程國家重點實驗室，四川大學，成都 610065；2.四川大學高分子科學與工程學院，成都 610065；3.四川大學高分子研究所，成都 610065)

0 前言

FDM技術[1]是目前應用較廣泛的3D打印技術之一，具有裝置簡單、成型過程安全、無材料浪費、更換材料方便等優(yōu)點，已廣泛應用于工業(yè)設計、航空航天、輕工、醫(yī)學等諸多領域[2-3]。目前商業(yè)化的FDM打印機主要為使用聚合物絲材為原材料的桌面式打印機，所用材料必須滿足熔融溫度較低、黏度較低、黏結性能優(yōu)良、收縮率小和具有一定的強度及模量等要求[4],因此適用種類較少，常用的僅有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)[5]、PLA[6]和聚碳酸酯(PC)[7]等，且存在絲材成本高、噴頭易堵塞等不足。為了解決上述難題，國內(nèi)外科研工作者開展了一些研究工作。如顏永年等[8]開發(fā)了一種彈簧擠壓摩擦輪送料裝置，該裝置可通過壓力彈簧將絲料壓緊在2個摩擦輪之間，針對不同直徑的絲條可調(diào)節(jié)壓緊力大小，使絲條輸送順利。葛鵬等[9]設計了一種螺桿擠出裝置，通過送料機構將絲料送入熱熔噴頭內(nèi)加熱至熔化，通過控制螺桿的旋轉方向來控制物料的擠出與否，可有效減少出絲不均和噴頭堵塞等現(xiàn)象。張文義[10]公開了一種適用于FDM打印機的擠出機，該FDM打印機用擠出機采用了螺桿擠出原理，可在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)平穩(wěn)擠出。但是，這些技術尚未從根本上解決目前FDM技術所面臨的問題。

在高分子加工領域，螺桿擠出是一種擠出穩(wěn)定可靠、塑化效果好的加工方式。但是普通螺桿為保證較好的熔融效果，一般設計有較大的長徑比，增加設備體積和質量。本文創(chuàng)新性地采用大錐度螺桿結構，既可以使固體輸送段具有足夠的螺槽長度，又使熔融段具有較大的壓縮比，使螺桿的長度大大縮短，在提高輸送、熔融效果，增加擠出穩(wěn)定性的同時，最大程度地減小了擠出單元的尺寸和質量。在此基礎上開發(fā)出新型桌面式FDM打印機， 并進行了一系列實驗研究， 結果表明該設備能在很大程度上彌補現(xiàn)有FDM技術的不足，擴大該技術的應用范圍。

1 實驗部分

1.1 新型FDM打印機的研制

1.1.1 錐形螺桿擠出單元的設計[11]

錐形螺桿擠出單元是該設備的核心部分，其中錐形螺桿是最重要的零件。常規(guī)的螺桿擠出設備尺寸和重量都很大(因為螺桿的長徑比較大，一般為25～30)，難以直接用于FDM技術。本文所設計的螺桿如圖1(a)所示，使用錐形螺紋可以在相同的小端直徑下通過擴大大端直徑在縮短螺桿整體長度的同時獲得充足的螺槽長度，并通過合理配合大小端直徑獲得較大的壓縮比。螺桿的錐形螺紋段需要完成物料的熔融過程，平直螺紋段起著穩(wěn)定料流、均一溫度的作用。在此基礎上，完成了錐形螺桿擠出單元的整體設計及裝配，主要包括錐形螺桿、機筒、軸承座、軸承蓋、過濾板和連接器等零件，如圖1(b)所示。機筒內(nèi)壁輪廓與所設計的錐形螺桿輪廓相匹配，螺桿外徑與機筒內(nèi)壁間隙大小恒定。

1—驅動電機 2—前軸承 3—后軸承 4—軸承蓋 5—軸承座 6—錐形螺桿 7—機筒 8—料斗 9—熱熔噴頭 10—多孔板 11—連接器 12—圓螺母 13—圓螺母用墊片 14—隔熱片(a)錐形螺桿 (b)爆炸分解圖 圖1 錐形螺桿擠出單元Fig.1 Conical screw extrusion unit

1.1.2 基于錐形螺桿擠出單元的 FDM 3D打印機的研制[12-13]

最后，結合3D打印的控制系統(tǒng)，開發(fā)出了基于錐形螺桿擠出單元的FDM 3D打印機，如圖2所示。該打印機中，錐形螺桿擠出單元固定不動，打印平臺作x/y/z軸運動。工作時，待機筒溫度升至設定溫度后，啟動電機，電機帶動減速器驅動螺桿轉動；將塑料原料從機筒加料口加入，經(jīng)螺桿的旋轉推動而向前輸送，并在受熱和剪切的作用下逐漸熔融，然后通過多孔板-噴嘴擠出；在材料擠出過程中，配合噴頭與打印平臺間的相對運動，擠出后的絲條在打印平臺上以所需的截面形狀進行堆疊成型，完成最終制件的打印。

1—錐形螺桿擠出設備 2—打印機框架 3—x軸運動機構 4—打印平臺 5—y軸運動機構 6—z軸支架 7—z軸絲桿 8—升降架 9—滑塊 10—z軸驅動電機 11—打印制件(a)示意圖 (b)實物圖圖2 自制FDM 3D打印機 Fig.2 Home-made FDM 3D printer

1.2 主要原料

PLA，4032D，熔融溫度160 ℃，密度1.24 g/cm3，美國Nature Works公司；

PE-HD，5000S，熔體質量流動速率0.91 g/10 min(220 ℃，10 kg)，密度0.951 g/cm3，甘肅蘭州石化公司。

1.3 主要設備及儀器

微機控制電子萬能試驗機，RGT-10，深圳市瑞格爾儀器有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，S-450，日本日立公司。

1.4 樣品制備

使用自制FDM 3D打印機制備啞鈴型試樣，尺寸為80 mm×10 mm×3 mm，中間細處寬度為6 mm，擠出時機筒的加熱溫度為167～183 ℃。

1.5 性能測試與結構表征

拉伸性能測試按照GB/T 1040.1—2006進行，拉伸速率為20 mm/min；

SEM觀察時試樣表面噴金處理。

2 結果與討論

2.1 錐形螺桿擠出設備擠絲性能

實驗選用材料性能不一的2種材料——PLA和PE-HD進行擠絲性能研究。如表1所示為不同條件下擠出的絲條直徑，在實際打印過程中，2種材料都可順利且連續(xù)地出絲，絲條直徑均勻，但相對于噴嘴直徑，絲條直徑因擠出出口膨脹作用而有一定的脹大。對比b、d樣品可發(fā)現(xiàn)，電機轉速一定時，大直徑噴嘴擠出的絲條更粗，有更小的出口膨脹程度；而對比c、d樣品可發(fā)現(xiàn)，兩者的直徑相差無幾。所以當噴嘴直徑一致時，電機轉速對擠出絲條的直徑影響并不大，只對出絲速度影響較大。在實際打印過程中，我們可以選用適用的噴嘴，通過調(diào)節(jié)電機轉速來控制打印速度，而不會影響出絲精度。

表1 不同條件下擠出的絲條直徑Tab.1 Diameter of the extruded filament under different conditions

2.2 電機脈沖頻率對制件性能的影響

實驗選用了PLA粒料作為打印材料，研究了不同打印工藝參數(shù)對制件打印性能的影響。圖3所示為其他條件一致時，不同電機脈沖頻率的打印制件實物圖和拉伸強度，其中走絲間距為0.2 mm，層厚為0.1 mm，打印角度為0 °；2#樣品的電機脈沖頻率是1#樣品的1/2，從圖中可以看出，2種條件皆能較好地成型制件，但從各自制件邊緣的放大圖可以發(fā)現(xiàn)，較小電機脈沖頻率值的2#樣品的邊緣精度更高，表面更平滑。由此可判斷過高的電機脈沖頻率，即過快的擠出速度，會嚴重降低制件精度，其原因是擠出速度和打印速度不匹配，導致打印時積料。從圖3(b)可以看出1#、2#這2種樣條的拉伸強度差距很小，2#樣品略高。

電機脈沖頻率：1#—600 2#—300(a)實物圖 (b)拉伸強度 圖3 不同電機脈沖頻率時的打印制件 Fig.3 Printing samples with different PPS

走絲間距/mm：1#—0.2 2#—0.5 (a)實物圖 (b)拉伸強度 (c)SEM照片圖4 不同走絲間距下的打印制件 Fig.4 Printing samples with different filament spacing

2.3 走絲間距對制件性能的影響

實驗中通過控制其他條件不變(電機脈沖頻率為600 PPS，層厚為0.1 mm，打印角度為0 °)，改變走絲間距參數(shù)值來研究走絲間距對自制FDM 3D打印機打印性能的影響。如圖4(a)所示，1#樣品走絲間距設置為0.2 mm，2#樣品走絲間距設置為0.5 mm。如前所述，1#樣品由于擠出速度和打印速度不匹配而導致積料，造成其表面精度差。2#樣品在1#樣品其他條件不變的情況下，增大了走絲間距。也就是說，在一層的打印平面內(nèi)，減少了走絲的次數(shù)，噴頭擠出的絲條有更多的空間進行放置。結果表明，2#樣品制件的表面精度更好，邊緣更光滑，通過增大走絲間距來避免了積料的產(chǎn)生。圖4(b)對比了2個條件下所得制件的拉伸強度，可見，較大走絲間距下的制件拉伸強度更低。原因是走絲間距增大，制件的填充密度就降低了，絲條與絲條間的空隙增加，影響力學性能。圖4(c)所示為不同走絲間距下打印制件的表面SEM照片，可以發(fā)現(xiàn)較大走絲間距的試樣有明顯的空隙，降低了制件的強度。

層厚/mm：1#—0.1 2#—0.2圖5 不同層厚下的打印制件 Fig.5 Printing samples with different layer thickness

2.4 層厚對制件質量的影響

圖5為不同層厚條件下打印所得到的制件，電機脈沖頻率為300 PPS，走絲間距為0.2 mm，打印角度為0 °。顯而易見，0.2 mm層厚的打印制件質量相比0.1 mm層厚的制件質量差很多，其表面粗糙，并且有很大的空洞，明顯供料不夠所致。對于2#制件來說，2倍層厚的設置會使制件最終的打印總層數(shù)減半，若供料量不變，則每一層的高度將會坍塌一半。此例中2#制件擠出速度并未與層厚的設置相匹配，每一層絲條堆疊的真實高度小于程序設置的層厚高度，如此越打印到后面的層數(shù)，高度誤差累積越大，影響后續(xù)打印過程和精度，甚至難以成型。因此層厚的設置對制件最終的打印效果影響巨大，其應與擠出速度和擠出絲條直徑等參數(shù)相匹配。

2.5 打印角度對制件性能的影響

打印角度是打印制件時的走絲路徑角度，由于軟件的設置，打印路徑總是相鄰兩層相互垂直以獲得最佳堆疊效果。所以打印角度為 0 °即為水平與垂直兩個方向交叉堆疊，打印角度為45 °即為斜45 °網(wǎng)格狀交叉堆疊，正如圖6(a)所示意。打印時電機脈沖頻率為300 PPS，走絲間距為0.2 mm，層厚為0.1 mm?？梢?，2種打印角度的制件打印精度和表面質量都較好，并無明顯的差別。圖6(b)是4 5°打印角度的打印表面SEM圖片，清晰地顯示了它打印時的走絲路徑。對比力學性能結果[圖6(c)]，兩者的拉伸強度幾近一樣，說明0 °角和45 °角打印效果比較一致，當然，這并不能說明打印角度對打印制件性能無甚影響，深入研究還需更多的實驗設計。

打印角度/(°):1#—0 2#—45 (a)實物圖 (b)打印角度為45°的制件的SEM照片 (c)拉伸強度圖6 不同打印角度下的打印制件 Fig.6 Printing samples with different printing angle

3 結論

(1)針對于現(xiàn)有FDM打印技術的不足，本文創(chuàng)新性地研制了一種新型桌面式FDM打印機，其核心部件是錐形螺桿擠出單元，該設備采用打印平臺做x/y/z軸運動的運動方式；

(2)對其擠絲性能、各種參數(shù)對打印制件性能的影響進行研究的結果表明，該打印機的打印性能良好，出絲速度可通過調(diào)節(jié)電機轉速來相應調(diào)節(jié)，并且不會影響出絲直徑的精度；

(3)合適的電機脈沖頻率、走絲間距、層厚等工藝參數(shù)可以使打印制件獲得較好的表觀質量和強度，而較大的走絲間距由于降低了制件的填充密度使制件的拉伸強度下降了約20%；實際打印過程中，應調(diào)節(jié)好各參數(shù)，使出絲速度與打印速度相匹配，避免積料等現(xiàn)象，以獲得最佳的打印效果。

致謝

本課題由國家自然科學基金(51433006)、四川省科技計劃項目(2017JY0069)、大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室開放課題(JMTZ201702)聯(lián)合資助完成，特此感謝。