熔融沉積成型噴頭系統(tǒng)的研究進展

吳彥之，侯和平，徐卓飛，劉善慧

(西安理工大學(xué)印刷包裝與數(shù)字媒體學(xué)院，西安 710048)

0 前言

增材制造技術(shù)是20世紀80年代中期發(fā)展起來的新型制造技術(shù)。相對于“去除材料”式車銑刨磨等為代表的傳統(tǒng)加工方式，該技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?015年9月，美國增材制造創(chuàng)新機構(gòu)發(fā)布了美國增材制造技術(shù)的路線圖，勾勒了未來5年該機構(gòu)乃至美國增材制造工業(yè)技術(shù)發(fā)展的路徑[1]?！爸袊圃?025”提出將增材制造技術(shù)列入制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)工程中，推進增材制造技術(shù)快速可持續(xù)化發(fā)展。

增材制造技術(shù)是通過材料層層累積逐步形成完整的產(chǎn)品，它具有以下特性：①操作簡便，用戶按照使用說明書上的步驟進行操作便可打印出成型產(chǎn)品；②生產(chǎn)周期短，產(chǎn)品成本低，再制造過程中無需制造原物模板，利用計算機軟件對產(chǎn)品進行建模后便可直接打印成型[2]；③個性化制造，該技術(shù)能加工出復(fù)雜性曲面或獨特性的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，滿足用戶對產(chǎn)品個性化、高端化的需求。目前，針對丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)等塑料產(chǎn)品的加工方式多采用光固化成型(SLA)、選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)、FDM技術(shù)等增材制造工藝進行制造[3]，其中FDM技術(shù)是發(fā)展最為快速的制造工藝，該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計、航空航天、食品、醫(yī)療以及模具制造等行業(yè)中[4]。隨著科技飛速發(fā)展和社會產(chǎn)業(yè)不斷進步，熔融沉積成型技術(shù)已成為制造行業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢。

FDM技術(shù)是實現(xiàn)產(chǎn)品完美再現(xiàn)的重要加工方式，其核心思想是基于堆積原理，整個工藝流程分為3部分：前處理、疊加成型、后處理。首先利用計算機輔助設(shè)計軟件對物體進行建模，將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成STL文件格式，切片軟件對STL文件數(shù)據(jù)模型進行分層處理，獲取每層輪廓信息，打印設(shè)備依據(jù)每層輪廓數(shù)據(jù)進行材料層層疊加，經(jīng)后處理等工序制造出完整的成型產(chǎn)品[5]。其具體工藝流程如圖1所示。

圖1 熔融沉積成型工藝流程圖Fig.1 Chart for molten deposition molding process

圖2 柱塞式FDM工作原理圖Fig.2 Working principle of plunger type FDM

FDM技術(shù)在疊加成型過程中，主要依靠計算機控制噴頭系統(tǒng)進行工作?，F(xiàn)階段，F(xiàn)DM噴頭系統(tǒng)有2種工作形式，即螺桿式和柱塞式。針對柱塞式FDM噴頭系統(tǒng)，其在工作過程中主要分為3個區(qū)域：①進絲區(qū)：進給輪將絲料推入至流道，散熱片具有散熱作用，防止絲料受熱變形；②熔絲區(qū)：絲狀材料加熱后發(fā)生相變，由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴趹B(tài)；③增材區(qū)：后續(xù)未熔的絲狀材料充當活塞作用，將熔融態(tài)的材料從噴嘴處擠出，在成型臺上逐漸形成所需的成型產(chǎn)品。具體的成型原理如圖2所示。從圖中可知，F(xiàn)DM技術(shù)造成產(chǎn)品成型精度低的主要因素包括：①散熱片和喉管中的熱量過高，讓后續(xù)固體材料逐漸熔融，無法完全發(fā)揮出活塞作用，導(dǎo)致材料擠出量不穩(wěn)定；②加熱塊中溫度分布不均或熱傳遞不穩(wěn)定，加熱塊中的材料并未完全熔融就被后續(xù)固體材料強行擠出到成型平臺上，這不僅會造成產(chǎn)品成型精度低，同時容易損壞噴頭系統(tǒng)；③噴嘴中不合理的流道設(shè)計會致使熔融材料滯留在流道中，導(dǎo)致噴嘴堵塞或擠出絲材的粗細不一致。因此，為了保證柱塞式FDM噴頭系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作，打印出高精度的產(chǎn)品，需要散熱片能迅速地將多余熱量散失到空氣中，喉管能阻止熱量向上傳遞，加熱塊迅速均勻地將固態(tài)材料加熱至熔融狀態(tài)，并且噴嘴結(jié)構(gòu)合理。

綜上，柱塞式FDM噴頭系統(tǒng)是實現(xiàn)產(chǎn)品快速成型的關(guān)鍵部件之一。由于噴頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作機理極其復(fù)雜，易受外界環(huán)境干擾，生產(chǎn)任務(wù)多變，導(dǎo)致噴頭經(jīng)常被堵、產(chǎn)品精度低等問題。正所謂“工欲善其事必先利其器”。分析和梳理FDM噴頭系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，取得的成果，揭示未來的發(fā)展方向具有重要的意義。本文從噴頭系統(tǒng)的流道結(jié)構(gòu)、散熱裝置、加熱裝置以及噴嘴等結(jié)構(gòu)進行綜述，探討了熔融成型技術(shù)在現(xiàn)時代下存在的挑戰(zhàn)以及未來發(fā)展的趨勢。

1 國內(nèi)外研究進展

1.1 FDM流道結(jié)構(gòu)研究進展

流道貫穿于整個噴頭系統(tǒng)，是保證產(chǎn)品能夠進行順利打印的前提。通常流道可以分為幾個部分，如圖3所示，關(guān)鍵參數(shù)主要包括流道長度L1，流道直徑D1，錐形角度β，錐形段長度L2，噴嘴直徑D2以及成型段長度(口模平直段)L3。在實際打印過程中熔體流動易在流道收縮段Ⅱ、成型段Ⅲ和噴嘴等處發(fā)生紊亂，讓熔體附著在流道內(nèi)壁，長此以往熔體會逐漸堵塞噴頭，讓噴頭系統(tǒng)出絲速度不穩(wěn)或出絲形狀不均，進而導(dǎo)致產(chǎn)品成型精度低。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始對流道結(jié)構(gòu)開展多方面的研究。

圖3 流道平面圖Fig.3 Flow path plan

1.1.1流道形狀研究

圖4 流道5種設(shè)計理念Fig.4 Five design concepts for the runner

圖5 改進前后的噴嘴Fig.5 Improved front and rear nozzles

流道的形狀決定了熔體流動的路徑和產(chǎn)品成型速度與精度。Wang等[6]針對噴嘴形狀提供了5設(shè)計理念，如圖4所示。閔暢[7]提出將流道最前端加長，通過增大內(nèi)壁面積，加大熔體對內(nèi)壁粘附力，阻止打印材料停止打印時在擠壓力作用下向下滴落的現(xiàn)象，如圖5所示。Han等[8]研究了混色熔體在Y型流道中流動情況，結(jié)果表明熔體在流道中具有復(fù)雜的流動行為，且容易在流道交叉處發(fā)生堵塞現(xiàn)象。MOSTAFA等[9]分別從二維和三維角度數(shù)值模擬了復(fù)合材料是如何在90 °彎管流道中進行流動，其研究結(jié)果為復(fù)合材料熔體流動模型的建立和參數(shù)的優(yōu)化提供了有價值的信息。

1.1.2流道結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

流道結(jié)構(gòu)是整個噴頭系統(tǒng)關(guān)鍵部分之一，其參數(shù)值的選取正確與否會影響到熔體流動行為，對產(chǎn)品成型品質(zhì)造成一定影響。對流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究，主要有：理論建模、仿真和實驗研究。在理論建模方面，研究者們建立了熔體流量、壓力降等因素與流道各個段長度之間的數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)流道結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)[10-12]。通過仿真研究，Sukindar[13]指出流道中壓降的變化會降低產(chǎn)品成型品質(zhì)，指出130 °是擠出聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料的最佳錐形角。李長金[14]發(fā)現(xiàn)熔體在層疊流道中的壓力損失隨流道水平流程以及流道進、出口的高度差和橫向偏距的增大而增大，并隨流道入口長和寬增大而減小。丁驍垚等[15]針對含能材料，探究了入口壓力與流道收縮段錐角、成型段長度、噴嘴直徑對擠出速度的影響，成功構(gòu)建了擠出速度與多因素之間的預(yù)測模型。高強[16]指出收斂角、過渡圓弧半徑、整流段長度以及它們之間的交互作用是影響絲料出口速度穩(wěn)定性的重要因素。余忠等[17]提出減小緩沖段橫截面尺寸和過渡段坡度可以降低能耗，增加制品表面質(zhì)量。孔甜甜等[18]研究者指出當用FDM制備玻璃纖維增強聚乳酸時，發(fā)散型的噴嘴直徑比當直噴嘴更有優(yōu)勢。通過實驗驗證，Patanwala等[19]指出噴嘴直徑會影響打印流量。Seki等[20]以含PMMA的非粉末狀的木材為研究對象，研究了聚合物含量和錐形角度對其擠壓過程中擠出力和流動影響。

可以看出，國內(nèi)外學(xué)者以仿真手段為主，理論建模和實驗為輔研究了流道結(jié)構(gòu)對熔體流動行為的影響，采用優(yōu)化流道形狀，確定流道結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)值的方法，保證熔體在流道中流動的穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品成型的速度。但是目前的工作大多忽略了熔體流動的行為會對流道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生怎樣的影響，實際打印過程，熔體流動行為會沖擊內(nèi)壁，讓噴頭系統(tǒng)在工作過程中產(chǎn)生振動，反而影響熔體在流道中的流動行為，降低成型品成型精度。因此，在流道結(jié)構(gòu)分析過程中應(yīng)具備多方面的研究思維，既要研究流道結(jié)構(gòu)對熔體流動行為的影響，又要考慮熔體流動行為會對流道結(jié)構(gòu)帶來怎樣的后果。從不同的思維角度對流道結(jié)構(gòu)進行研究，可以確保產(chǎn)品成型品質(zhì)。

1.2 FDM散熱裝置研究進展

散熱裝置在噴頭系統(tǒng)中占有重要地位。目前，國內(nèi)外學(xué)者多從散熱片和喉管等結(jié)構(gòu)開展了豐富的研究工作。散熱片的作用是將流道中多余熱量迅速散失到空氣中，喉管的作用是阻礙熱量向上端流道傳遞，兩者結(jié)構(gòu)都與熱量傳遞相關(guān)，其目的就是防止流道上端的材料受熱發(fā)生熔融變形，無法充當活塞作用。

1.2.1散熱片結(jié)構(gòu)研究

散熱片能快速將流道中熱量散失到空氣，降低絲材在流道中受熱變形的概率，避免熔融的絲材在上端流道發(fā)生堵塞現(xiàn)象。在研究常規(guī)散熱片結(jié)構(gòu)的過程中，汪鐵豐等[21]在傳熱分析基礎(chǔ)之上結(jié)合正交試驗方法對散熱片的高度、間隔、厚度等進行優(yōu)化，在保證散熱性能的前提下，縮小了散熱片的空間尺寸。張洋等[22]研究論文鰭片式散熱結(jié)構(gòu)，指出散熱效果受鰭片數(shù)量和鰭片的間距影響，各個因素相互制約，求出最佳比值是關(guān)鍵。Jerez-Mesa[23]通過有限元模型計算了風(fēng)機轉(zhuǎn)速和散熱片幾何形狀的所有組合，并通過實驗對仿真結(jié)果進行驗證，為后續(xù)模型改進提供了依據(jù)。Hashemi[24]研究了通道長徑比和孔隙率對散熱片傳熱系數(shù)的影響，結(jié)果指出增大散熱片的展弦比或孔隙率可提高散熱系數(shù)。研究者在常規(guī)散熱片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了自己新的想法，F(xiàn)asano[25]設(shè)計和制造了一個新的散熱片，增強了散熱片傳熱的效果。針對小尺寸零件打印，文獻[26]在原有的散熱片結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上添加了新的散熱風(fēng)扇和散熱通道，該方式有效地提高了小尺寸零件的打印精度。文獻[27]中的散熱體設(shè)有裙邊結(jié)構(gòu)，冷卻水能從散熱體上端流至下端，有效地增大了換熱面積，提高了散熱效率。朱黎立等[28]設(shè)計了一套新的冷卻裝置代替散熱片結(jié)構(gòu)，其結(jié)果有效地解決了打印材料提前軟化的問題。靳一凡[29]針對打印過程中因散熱片散熱不良引起的層錯位和坍塌問題，設(shè)計開發(fā)了一種功率可調(diào)型半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)。

1.2.2喉管結(jié)構(gòu)研究

喉管結(jié)構(gòu)可以有效地防止熱量向上傳遞，但未送至熱腔的絲料很容易在喉管處熔化，發(fā)生堵塞現(xiàn)象。因此，研究者通常對喉管外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改進優(yōu)化。外部優(yōu)化方法包括：呂蒙[30]提出增加強迫風(fēng)冷的裝置讓集中在喉管下部的熱量及時散失。韓金龍[31]指出在喉管處安裝散熱片和小風(fēng)扇可以對噴頭系統(tǒng)進行很好的散熱，極大地改善了噴頭堵塞的現(xiàn)象。內(nèi)部優(yōu)化方法：王君等[32]采用仿真軟件分析對比了改進前后喉管上溫度場的分布，將通孔與喉管形成過盈配合，減少了噴頭的堵頭點，提高了打印精度。李吉康等[33]指出定時更換四氟管、在加熱塊上端與喉管之間采用絕熱手段可以阻止熱量向上傳遞。內(nèi)外相結(jié)合優(yōu)化法：文獻[34]提出在喉管部分采用導(dǎo)熱慢的材料，喉管中間部位進行切削，內(nèi)部嵌入鐵氟龍，外部增加小風(fēng)扇等方法，可以降低喉管上的溫度。

由以上研究發(fā)現(xiàn)，散熱裝置的優(yōu)化思路包括對常規(guī)散熱片結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)進行組合，創(chuàng)新改進散熱片結(jié)構(gòu)和喉管結(jié)構(gòu)，這些優(yōu)化思路和原則一定程度上提高了散熱裝置的散熱效果，初步滿足人們對打印成型品成型品質(zhì)的需求。但當設(shè)備出現(xiàn)故障時，散熱裝置的散熱效果會發(fā)生波動，若不能及時對散熱量進行調(diào)整，絲料則容易受熱熔融，產(chǎn)生噴頭堵塞的現(xiàn)象。因此，在提高裝置穩(wěn)態(tài)散熱效果的同時，需要研究瞬態(tài)變化時散熱的進程。

1.3 FDM加熱裝置研究進展

加熱裝置將固體材料加熱至熔融狀態(tài)，加熱溫度的高低能有效地控制熔體流動的黏度特性，控制加熱器中的溫度相當于把握住了整個噴頭系統(tǒng)的靈魂。

為了提高加熱裝置中傳熱的穩(wěn)定性，保證熱量能夠均勻傳遞，Turner[35]討論了熔體在加熱塊中建立流動模型時應(yīng)注意的事項。Ramanath[36]假設(shè)加熱塊的壁面溫度恒定且具有穩(wěn)定的熱流。Jerez-Mesa[37]建立設(shè)計了一個有限元模型，研究了加熱器熱工性能隨冷卻風(fēng)扇引入氣流速度變化的規(guī)律。為了縮短預(yù)加熱時間，提高加熱效率，張毅[27]提出采用正溫度系數(shù)(PTC)加熱器作為熱源。齊元磊[5]建議將傳統(tǒng)的單熱管改裝成升降溫更快的四電熱管加熱裝置，可以滿足及時出絲、停絲的打印要求。為了進一步提高加熱裝置的加熱性能，西南交通大學(xué)研究者[38]針對ABS塑料熔融機理，建立相應(yīng)物理模型，利用Fluent模擬分析了機筒內(nèi)外徑對熔融時間和熔融長度的影響。王世博等[39]通過模擬分析指出熔融段長度越短，擠出熔融物的能力越強。增加加熱棒與加熱塊的接觸面積，減小加熱塊的體積有利于提高熔體溫度，縮小打印準備的時間。Sukindar[40]將加熱塊方型結(jié)構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)閳A柱型，在加熱塊上安裝高絕熱材料，有利于保持加熱的溫度，減小了溫度的散失率。王野[41]通過ANSYS軟件模擬，分析出加熱塊的溫度與各個場之間的關(guān)系，為后續(xù)設(shè)備的改進提供了指導(dǎo)性作用。

總結(jié)發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者在加熱裝置研究方面取得了令人欣喜的成果，這些成果極大地改善了成型品的成型品質(zhì)。但是現(xiàn)有工作多集中研究對單種材料的加熱問題，在某些情況下，單種材料所具有的特性不能滿足人們對產(chǎn)品性能的需求，需要將不同成型材料進行復(fù)合，而對多種混合材料加熱方式和溫度設(shè)置的研究工作屈指可數(shù)，因此，在未來研究進程中，可以多加關(guān)注對混合材料的加熱形式，生產(chǎn)出具有高性能材料的產(chǎn)品。

1.4 FDM噴嘴研究進展

將熔融材料擠壓至噴嘴處，控制系統(tǒng)控制噴嘴逐漸將熔融材料沉積在工作平臺上，這是實現(xiàn)產(chǎn)品成型的主要途徑。在產(chǎn)品成型過程中，噴嘴處的溫度、材料和結(jié)構(gòu)都會影響熔體流動行為及成型精度，國內(nèi)外研究學(xué)者針對噴嘴進行了大量的研究工作。

噴嘴處溫度降低會引起噴嘴處熔體堵塞，噴嘴處溫度的高低決定了熔絲的黏度、擠出絲的流量、材料的粘結(jié)性能、堆積性能以及擠出絲的寬度[42-43]。汪傳生等[44]針對熔體流經(jīng)噴嘴時溫度下降的問題，提出在噴嘴處增加環(huán)形的電阻加熱元件，可以保證熔體溫度和流動的穩(wěn)定性。吳明星等[45]提出在噴嘴處增加加熱孔和溫度傳感器，能嚴格控制噴嘴處的溫度，在打印過程中能讓噴嘴穩(wěn)定出料。賈永臻[46]模擬分析發(fā)現(xiàn)溫度驟降會引起噴嘴堵塞問題，提出在噴嘴處添加保溫措施是避免熔體堵塞噴嘴的有效手段。針對噴嘴位置的材料研究，劉曉軍[57]提出將噴嘴材料從鋁青銅改為鈹青銅，可以使噴嘴溫度分布趨于均勻，熔體穩(wěn)定流動，減小熔體在噴嘴內(nèi)打滑現(xiàn)象，降低熔體堵塞噴嘴的可能性。胡鑌等[48]針對了不同噴嘴材料進行熱場和應(yīng)力場多物理場耦合分析，為后續(xù)FDM噴嘴的開發(fā)和優(yōu)化提供了參考。為了提高產(chǎn)品的打印精度，研究者對噴嘴結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化創(chuàng)新。王曉峰等[49]設(shè)計了擠出口徑自適應(yīng)的變化噴頭，使其成型效率和精度得到了同步提升。西安交通大學(xué)研究者[50]分別對外置式和一體化噴嘴進行了有限元模擬仿真分析和實驗驗證，結(jié)果表明一體化噴嘴優(yōu)于外置式噴嘴，能進行順暢吐絲。Kodowski[51]設(shè)計開發(fā)了一種有效的噴嘴裝配法，解決了熔體泄露的問題。王占禮等[52]在噴嘴中加入網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，增大熔體流動的沿程阻力，有效地解決在打印過程中因熔體體積膨脹產(chǎn)生流涎現(xiàn)象。劉斌等[53]對不同結(jié)構(gòu)的噴嘴進行了分析和研究，指出了關(guān)于直通式噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。

綜上所述，研究者的工作在一定程度上解決了熔體堵塞噴頭以及熔體泄漏等問題，保證熔體流動的穩(wěn)定性，提高了打印設(shè)備的成型精度。但現(xiàn)有的研究工作多針對單個噴嘴，且實用化的噴嘴結(jié)構(gòu)改進方法有限，隨著人們對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、成型精度和成型效率的要求逐漸提升，單個噴嘴的工作量將不能完全滿足人們的需求。因此，會出現(xiàn)多個噴嘴同時加工產(chǎn)品的情況，在后續(xù)研究工作中我們既要提高單個噴嘴工作效率，又要關(guān)注整體結(jié)構(gòu)，防止多個噴嘴之間發(fā)生干涉現(xiàn)象。

2 噴頭系統(tǒng)未來面臨的挑戰(zhàn)

經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，熔融沉積成型設(shè)備已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，它突破了傳統(tǒng)的設(shè)計與加工方式，快速、直接、精確地將數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成成型產(chǎn)品，為人類帶來了巨大的經(jīng)濟效益。但是隨著材料技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計、制造模式、計算機理論等技術(shù)飛速發(fā)展，需要針對性地對結(jié)構(gòu)、技術(shù)與方法進行深度挖掘。因此，現(xiàn)有的噴頭系統(tǒng)面臨著新的挑戰(zhàn)。

(1)現(xiàn)有的研究大多針對單一的物理場進行分析，但是材料在流道中受熱發(fā)生相變，其力學(xué)性質(zhì)、速度場、溫度場等都會發(fā)生相應(yīng)地改變，隨著FDM設(shè)備自動化程度越來越高，其物理場之間的關(guān)系也會越加復(fù)雜。若還是進行單一的物理場分析，缺乏雙向分析的思維，忽略多物理場耦合的效果，那么FDM技術(shù)的制造精度將會遠不如傳統(tǒng)的加工方式。

(2)雖然FDM技術(shù)是一種比較智能的制造方式，可是當打印過程中噴頭系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，操作人員還是需要進行停機檢查，設(shè)備智能化程度較低。在高速運轉(zhuǎn)的時代，若不能及時解決故障問題，那么將會降低生產(chǎn)效率，直接損害企業(yè)的經(jīng)濟效益。因此，F(xiàn)DM噴頭系統(tǒng)朝著智能化方向發(fā)展是勢在必行。

(3)雖然FDM技術(shù)可以實現(xiàn)多種材料的混合打印，但是打印過程中存在諸多問題，且絕大多數(shù)的噴頭只能對應(yīng)特定的材料進行加熱打印，打印條件十分受限。在現(xiàn)時代下，材料技術(shù)發(fā)展迅猛，人類使用材料的種類也逐漸增多，這迫使FDM噴頭系統(tǒng)必須朝著高精度、泛化能力強的方向去發(fā)展。

(4)現(xiàn)有的噴頭系統(tǒng)分析多是針對單個結(jié)構(gòu)，并未考慮不同結(jié)構(gòu)之間的相互作用會對噴頭系統(tǒng)產(chǎn)生怎樣的影響。噴頭系統(tǒng)是由多個結(jié)構(gòu)耦合統(tǒng)一的整體，當單個結(jié)構(gòu)的工作性能發(fā)生改變時，勢必會影響到其他結(jié)構(gòu)的正常發(fā)揮，導(dǎo)致噴頭系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)，進而降低成型品的成型品質(zhì)。因此，為了進一步優(yōu)化噴頭系統(tǒng)，則需要建立各個結(jié)構(gòu)之間準確的數(shù)學(xué)模型。

(5)噴頭系統(tǒng)在打印過程中若想獲得高精度的產(chǎn)品，那么則需要降低打印速度，成型精度與打印速度呈反比關(guān)系，限制了FDM設(shè)備的發(fā)展。因此，實現(xiàn)這2個參數(shù)最大化是優(yōu)化噴頭系統(tǒng)的一大挑戰(zhàn)。

3 潛在方向與發(fā)展趨勢

針對FDM噴頭系統(tǒng)的特點與挑戰(zhàn)，研究者認為可從以下幾個方面深入開展噴頭系統(tǒng)的研究工作，為未來解決噴頭工作故障問題提供有效的理論思想和技術(shù)手段，進而大幅度提高成型品的質(zhì)量，滿足人類對產(chǎn)品的需求。

(1)多樣化的分析思維。由于材料的流動行為受流道結(jié)構(gòu)、溫度、相變反應(yīng)以及擠壓力等因素的影響，其流動行為復(fù)雜多變，容易影響材料擠出量以及噴頭系統(tǒng)的工作壽命。因此，為了既能精確地控制材料擠出流量，又能夠延長噴頭的使用期限，建議開展如下的研究思路：在單物理場分析的基礎(chǔ)之上重視對多物理場耦合信息的提取與融合，找出關(guān)鍵參量及其波動范圍對成型品質(zhì)的影響規(guī)律；具備雙向分析的理論思想，例如在研究過程中既要考慮噴頭結(jié)構(gòu)等因素對熔體流動的影響，又要考慮熔體的流動行為是否會造成結(jié)構(gòu)變形等不良因素；既要考慮熔體穩(wěn)態(tài)流動的過程，又要重視熔體瞬態(tài)流動行為的變化，采用定性和定量相結(jié)合的手段進行分析，才有利于精確地把控熔體流動行為。

(2)打印過程智能化。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，智能制造已成為市場的必然選擇。FDM技術(shù)為打破現(xiàn)有的局限，應(yīng)緊跟市場發(fā)展的趨勢，這樣既能保證產(chǎn)品的成型精度，又能夠提高打印速度。具體的研究工作如下：針對散熱裝置、加熱裝置以及多個噴嘴結(jié)構(gòu)，可利用傳感器對其工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并建立反饋控制系統(tǒng)。當工作過程中出現(xiàn)故障時，可以通過信息感知與分析，自主決策與優(yōu)化及時對故障問題進行補償修正[54]。

(3)打印過程可視化。通過眼睛直接觀察材料在流道中流動和熔化變形的現(xiàn)象，可以快速地發(fā)現(xiàn)熔體堵塞噴頭的位置點，有效地解決噴頭的工作故障并對優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)提供直接可靠的依據(jù)。因此，在未來為了實現(xiàn)可視化打印，我們需要大力地研究組成噴頭系統(tǒng)的材料，使其材料具有透光性強、密封性好、耐高溫、耐磨以及耐沖擊等優(yōu)點。

(4)噴頭系統(tǒng)通用化?，F(xiàn)如今市場的需求變化多端，單一材料所具有的特性將不再滿足人們對產(chǎn)品的要求。因此，要增強FDM噴頭系統(tǒng)的泛化能力，打破噴頭系統(tǒng)對材料種類的限制，使其能適應(yīng)不同特性材料的打印，具體的發(fā)展方向為：針對單一噴頭，先找出打印材料共有的特性以及區(qū)分性，讓噴頭系統(tǒng)具備其所有的特點，滿足噴頭系統(tǒng)一對多的打印方式；針對多個噴頭系統(tǒng)的打印方式，要協(xié)調(diào)好噴嘴之間的工作狀態(tài)，防止噴嘴出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

(5)操作模式個性化。新時代的人們對產(chǎn)品個性化的要求越來越高，也正是因為FDM技術(shù)能打印出小批量個性化的產(chǎn)品，所以深受人們的追捧，為了進一步擴大FDM技術(shù)個性化的發(fā)展，未來可以開發(fā)出個性化定制平臺。用戶擁有這個平臺，則無需再與賣家進行溝通，直接面向產(chǎn)品制造，通過遠程操作便可以自己控制噴頭系統(tǒng)進行產(chǎn)品打印，實現(xiàn)個性化操作模式。

4 結(jié)語

根據(jù)FDM技術(shù)的特性和工作原理，認為噴頭系統(tǒng)是FDM打印技術(shù)的核心，并通過綜述噴頭系統(tǒng)在國內(nèi)外的研究進展，揭示了現(xiàn)有噴頭系統(tǒng)存在的問題與挑戰(zhàn)。指出FDM噴頭系統(tǒng)潛在方向與發(fā)展趨勢，認為未來的噴頭系統(tǒng)應(yīng)從分析思維多樣化、打印過程智能化，可視化、噴頭系統(tǒng)通用化、操作模式個性化等方面展開深入的研究，有利于FDM噴頭系統(tǒng)技術(shù)整體水平的提升。