供稿人:刘腾飞,田小永 发布日期：2018-05-06
熔融沉积工艺工艺（FDM）是目前众多3D打印技术中应用最普遍的增材制造技术，但传统FDM采用柱塞式喷头结构，利用电机驱动热塑性丝材送入塑化装置融化，后进的未熔融丝料充当柱塞的作用，驱动熔融物料经微型喷嘴挤出，如图1所示，此种材料供给方式一方面由于电阻加热的效率有限导致挤出材料的流量很低，一般小于0.1cm3/s，从而降低了成形效率与成形速度，使得这种快速成型技术不适合建立大中型尺寸制件；另一方面采用热塑性丝材为原材料限制了可应用的材料种类，对一些不易成丝或常温下硬度较大不易卷曲的塑料，都不适合应用于此成形工艺。
图1 传统FDM喷头送丝结构
为解决传统喷头结构带来的弊端以扩展FDM工艺的应用范围与应用价值，研究者提出一种颗粒体进料的微型螺旋挤压堆积喷头机构，如图2所示，利用微型挤压螺杆通过实时送料装置将颗粒料从料斗送进，靠螺杆的螺旋挤压作用将成形材料向喷嘴方向输送，材料前进过程中，被螺杆挤出，实现材料的堆积成形。该喷头结构核心技术为微型螺杆的设计，传统螺杆尺寸较大设计时采用无限平板理论而微型螺杆的设计主要采用有限槽宽理论更接近于真实的边界调节，更能反映熔体挤出的真实情况。
图2 螺杆挤出颗粒料3D打印
目前，国内外关于此技术的研究已经取得了一定的研究进展并初步进行了商业化应用，法国3D打印企业Pollen于2016年推出的螺杆挤出打印机Pam，其精度可达40微米，打印速度可达400毫米/秒，如图3（a）所示；美国的DPP Technologies 推出了一款直接颗粒料挤出3D打印机-DPP XL MAAM，打印尺寸最大达到1200mm×1200mm×500mm,精度达到70微米，可用于打印PEI、PEEK等高性能工程塑料,如图3（b）所示；中国的斐帛科技（Fibertech）也开发出了螺杆挤出3D打印机，用于打印高性能连续纤维增强热塑性复合材料，如图3（c）所示；另外该螺杆挤出还可以用来对热塑性废料进行回收，重新挤出3D打印丝材再进行二次打印，对保护环境，节约资源有重要意义，美国的ProtoCycler开发了相关的应用，如图3（d）所示。
图3 螺杆挤出3打印应用实例
该创新型结构不但提高了成型的效率和工艺的稳定性，而且拓宽了可成型材料的种类，降低了打印成本，对于促进FDM的工业应用具有十分重要的意义。