Page 63 - 《橡塑技术与装备》2024年8期
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理论与研究 徐兴国 等·FDM 型 3D 打印机螺杆挤出系统的发展研究
它在输送物料方面能力较低，且塑化能力不适于螺杆 式，以实现 3D 打印材料均匀塑化和可靠挤出，具有
高转速工作模式，造成物料受热温度不均和混合不均 显著意义。实际上，该问题存在许多因素需要考虑，
等缺点。在不改变螺杆结构的前提下，仅通过调整螺 本文仅对打印材料方面进行初步探讨。
杆参数和生产工艺条件对其进行改良，无法根本性地 3.1 材料性质和状态的影响
改善物料挤出产量和质量。因此，通过不断实践和探 包括物料颗粒的形状大小和松密度等因素，另外
索，在常规螺杆结构的基础上，衍生出了各种新型螺 材料的熔融温度及熔态黏度、流动性、热稳定性等方
杆。这些螺杆在提高挤出产量、改善塑化质量、减少 面都影响着螺杆喷头的设计，螺楞的形状影响桶内材
生产产量、压力以及温度等方面的波动，降低能量消 料的运动状态。
耗方面均发挥了重要的作用，尤其在混合均匀性和分 3.2 材料的种类
散性方面表现卓越。 以不等深型螺杆为例，根据螺槽深度和过渡段的
冷杰 [26] 等的研究团队提出了一种基于锥形螺杆 长短，可将其分为渐变型和突变型两种类型。前者的
挤出单元的桌面式熔融沉积成型 3D 打印机，并利用 过渡段作用明显，适合加工热敏性和结晶性材料 ；后
锥形螺杆塑化聚合物，再实现丝条挤出并在沉积平台 者因过渡作用较弱，适合处理黏度低且熔点不稳定的
移动制造产品，如图 7 ； Leng [27] 等人揭示了锥形螺杆 塑料原料 [28] 。
与材料塑化有关的优势背后的理论，但没有提供打印 3.3 原材料方面
头部件的尺寸，构建了笛卡儿定位平台，在固定螺杆 目前，众多产品的原材料组成已经不再是单一树
转速的情况下，可在不同条件下制备聚合物微球试样， 脂，而是采用两种或两种以上的树脂经比例共混，并
还探索了 3D 打印不同复杂程度几何形状的能力，如 添加各种添加剂以满足实际需要。为了达到环保、资
图 8。 源再利用及降低成本的目的，塑料回收料的使用也愈
加普及，并且在原材料中掺入回收料已成为常见的做
法。对此，专门为其设计的螺杆也是高度需求的。不
同形式的螺杆各自具备其独特的优缺点，因此在设计
和选择螺杆时，需要突出其长处而规避其短处，以选
取最为适合的螺杆形式。
图 7 锥形螺杆结构图 4 3d 打印机螺杆挤出系统存在问题及
未来发展
目前，3D 打印技术在各个领域被应用和研究，比
如在航空航天、轨道交通、新能源、新材料、医疗仪
器等 [29~35] 领域都得到了实际的运用。3D 打印技术随
科技发展不断进步，正逐渐改变着传统制造业的生产
方式。其中，新型的螺杆挤出系统在 3D 打印中发挥
着重要的作用。但目前 FDM 型螺杆挤出式打印机受
材料和及技术的限制，无法在制造业中进行大批量的
运用，普通螺杆挤出式 3D 打印机难以打印物性相差
较大材料且清洁护理困难。3D 打印从本质上改变了加
工制造，使制造模式转变成为智能制造，但在如今的
加工制造业需要的是高精度、高效率、多样化的制造，
图 8 Leng 等人设计的锥形螺杆打印头示意图 虽然 FDM 型螺杆挤出式 3D 打印相较于传统 FDM 型
加工方式有着诸多优势，但依旧需要继续发展。
3 螺杆的选择和设计因素 在以上分析的国内外 FDM 型螺杆挤出式 3D 打印
对于螺杆挤出式 3D 打印机，选择合适的螺杆形
的发展中，发现了 FDM 型螺杆挤出式 3D 打印机的存
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年
