供稿人:劉騰飛,田小永 發(fā)布日期：2018-05-06
熔融沉積工藝工藝（FDM）是目前眾多3D打印技術(shù)中應(yīng)用最普遍的增材制造技術(shù)，但傳統(tǒng)FDM采用柱塞式噴頭結(jié)構(gòu)，利用電機驅(qū)動熱塑性絲材送入塑化裝置融化，后進的未熔融絲料充當柱塞的作用，驅(qū)動熔融物料經(jīng)微型噴嘴擠出，如圖1所示，此種材料供給方式一方面由于電阻加熱的效率有限導(dǎo)致擠出材料的流量很低，一般小于0.1cm3/s，從而降低了成形效率與成形速度，使得這種快速成型技術(shù)不適合建立大中型尺寸制件；另一方面采用熱塑性絲材為原材料限制了可應(yīng)用的材料種類，對一些不易成絲或常溫下硬度較大不易卷曲的塑料，都不適合應(yīng)用于此成形工藝。
圖1 傳統(tǒng)FDM噴頭送絲結(jié)構(gòu)
為解決傳統(tǒng)噴頭結(jié)構(gòu)帶來的弊端以擴展FDM工藝的應(yīng)用范圍與應(yīng)用價值，研究者提出一種顆粒體進料的微型螺旋擠壓堆積噴頭機構(gòu)，如圖2所示，利用微型擠壓螺桿通過實時送料裝置將顆粒料從料斗送進，靠螺桿的螺旋擠壓作用將成形材料向噴嘴方向輸送，材料前進過程中，被螺桿擠出，實現(xiàn)材料的堆積成形。該噴頭結(jié)構(gòu)核心技術(shù)為微型螺桿的設(shè)計，傳統(tǒng)螺桿尺寸較大設(shè)計時采用無限平板理論而微型螺桿的設(shè)計主要采用有限槽寬理論更接近于真實的邊界調(diào)節(jié)，更能反映熔體擠出的真實情況。
圖2 螺桿擠出顆粒料3D打印
目前，國內(nèi)外關(guān)于此技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一定的研究進展并初步進行了商業(yè)化應(yīng)用，法國3D打印企業(yè)Pollen于2016年推出的螺桿擠出打印機Pam，其精度可達40微米，打印速度可達400毫米/秒，如圖3（a）所示；美國的DPP Technologies 推出了一款直接顆粒料擠出3D打印機-DPP XL MAAM，打印尺寸最大達到1200mm×1200mm×500mm,精度達到70微米，可用于打印PEI、PEEK等高性能工程塑料,如圖3（b）所示；中國的斐帛科技（Fibertech）也開發(fā)出了螺桿擠出3D打印機，用于打印高性能連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料，如圖3（c）所示；另外該螺桿擠出還可以用來對熱塑性廢料進行回收，重新擠出3D打印絲材再進行二次打印，對保護環(huán)境，節(jié)約資源有重要意義，美國的ProtoCycler開發(fā)了相關(guān)的應(yīng)用，如圖3（d）所示。
圖3 螺桿擠出3打印應(yīng)用實例
該創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)不但提高了成型的效率和工藝的穩(wěn)定性，而且拓寬了可成型材料的種類，降低了打印成本，對于促進FDM的工業(yè)應(yīng)用具有十分重要的意義。