馬世博　閆華軍　李碩超　梁帥　周興邦

摘 要：FDM 3D打印機(jī)多采用由顆粒狀熱塑性材料加工而成的絲狀熱塑性材料，材料成本較高，且由于材料本身絲狀的幾何形狀難以實(shí)現(xiàn)均勻混合，使得FDM彩色混色3D打印技術(shù)具有一定的局限性，難以實(shí)現(xiàn)多色混色打印。針對以上問題，根據(jù)傳統(tǒng)擠出技術(shù)并結(jié)合熔融沉積（FDM）技術(shù)特點(diǎn)，研制了粒料式FDM 3D打印設(shè)備供料及擠出系統(tǒng)，原材料直接選用顆粒狀塑料，并設(shè)計(jì)了多個進(jìn)料口、儲料倉和排氣螺桿，進(jìn)料采用穴播輪控制方式。設(shè)計(jì)結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)不同顏色、不同塑料進(jìn)料量的合理配比，使顆粒塑料實(shí)現(xiàn)充分熔化、加壓、均化、排氣、再均化、擠出過程，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)材質(zhì)的粒料3D打印過程及多色混色打印過程。所提出的設(shè)計(jì)可以使用粒料直接進(jìn)行3D打印，既降低了制料成本、縮短了制料周期，又實(shí)現(xiàn)了廢料的有效利用，可為3D打印技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：塑性加工工藝與設(shè)備;材料成型;熔融沉積成型;粒料;多料口;螺桿

中圖分類號：TQ320.63 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.7535/hbkd.2019yx05009

Design of 3D printing feeding system and extrusion system

based on fused deposition modeling （FDM） technology with

multiple material inlet and granule as raw material

MA Shibo， YAN Huajun， LI Shuochao， LIANG Shuai， ZHOU Xingbang

（School of Materials Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：Mostly filamentous thermoplastic materials processed from granular thermoplastic materials are used by FDM 3D printers， which has high material cost， and it is difficult to reach uniform mixing due to the filamentary geometry of the material itself， so Multicolor FDM 3D printing technology has been limited，and it is difficult to realize Multi-color mixed printing. For the above questions， according to the traditional extrusion technology combined with the characteristics of fused deposition modeling（FDM） technology， the granular FDM 3D printing equipment feeding and extrusion system is designed， the granular plastics as raw material is directly selected， and multiple inlets， storage bins and exhaust screw are designed， the material is controlled by the hole-drilling. the reasonable ratio of different colors and different feed rate of granular plastic can be realized by the design result. The exhaust screw related to fully melt， pressurize， homogenize， vent， re-homogenize and extrude the granular plastic is designed. The 3D printing process of homogeneous material and the Multi-color mixed color printing process are realized. The design proposed in the paper can be directly used for 3D printing by using granule， which not only reduces the material production cost and cycle， but also realizes the effective utilization of waste materials， providing a reference basis for the development of 3D printing technology.

Keywords：plastic processing technology and equipment; material molding; fused deposition modeling; granulated plastic; multiple material inlet; screw

增材制造技術(shù)（3D打印技術(shù)）以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，采用逐層疊加的方式進(jìn)行物品生產(chǎn)制作，此技術(shù)目前在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工（AEC）、汽車、航空航天、醫(yī)療[1]、教育[2]、地理信息系統(tǒng)、土木工程等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。熔融沉積成型技術(shù)（FDM，fused deposition modeling）[3]是增材制造技術(shù)的一種，將熱塑性材料熔化、擠出后沿一定軌跡進(jìn)行堆積成型，所用的絲狀熱塑性材料采用塑料顆粒原料，經(jīng)加熱熔化、拉絲、冷卻、卷絲多道[4]工序制作而成。制絲過程工序繁瑣，且需要使用專用設(shè)備，在一定程度上增加了材料的成本，并使材料制作周期變長。

目前，已有的粒料FDM 3D打印機(jī)有德國ARBURG公司的freeformer3D打印機(jī)[5]、意大利WASP公司的Delta WASP顆粒3D打印機(jī)等。Freeformer3D打印機(jī)通過振針敲擊將顆粒材料熔化成液滴實(shí)現(xiàn)打印，成型效果可觀，但其為工業(yè)級設(shè)備，造價較高;Delta WASP顆粒3D打印機(jī)采用螺桿旋進(jìn)進(jìn)行粒料的供給，其儲料區(qū)隨噴頭的移動而移動，存在的慣性會影響打印精度。這些打印機(jī)均實(shí)現(xiàn)了由粒料直接進(jìn)行打印的技術(shù)突破，為粒料FDM 3D打印機(jī)的研制提供了依據(jù)和可行性。

本文設(shè)計(jì)了一種基于FDM技術(shù)的粒料3D打印供料及擠出系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)由顆粒狀粒料直接進(jìn)行打印的功能，通過設(shè)置多個進(jìn)料口，在不同進(jìn)料口放置不同顏色的粒料，通過控制不同料口進(jìn)料的比例，實(shí)現(xiàn)顏色混合，從而達(dá)到顏色多樣性的效果。

1 粒料3D打印機(jī)設(shè)計(jì)思路

為降低FDM 3D打印材料成本，擬設(shè)計(jì)一套采用粒料供料方式的FDM 3D打印機(jī)。如圖1所示為設(shè)備總裝圖，從上至下依次為供料系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、成型區(qū)3部分，其中供料系統(tǒng)由第1儲料倉、第2儲料倉、穴播輪、步進(jìn)電機(jī)等組成，通過步進(jìn)電機(jī)的旋進(jìn)作用帶動穴播輪實(shí)現(xiàn)粒料的定量定速進(jìn)給;擠出系統(tǒng)由料筒、噴頭、加熱塊、加熱棒、螺桿、排氣閥等組成，由步進(jìn)電機(jī)帶動螺桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，粒料進(jìn)入料筒的同時，通過固定在加熱塊上的加熱棒進(jìn)行加熱變?yōu)槿廴趹B(tài)，隨螺桿的旋進(jìn)作用從噴嘴擠出;成型區(qū)主要為制件成型工作區(qū)，噴頭在xy平面隨成型軌跡運(yùn)動，伴隨擠出系統(tǒng)的擠料作用，將熔融態(tài)塑料沿軌跡擠在打印平臺上，平臺在z軸方向做直線運(yùn)動，每打印完一層平臺將下移一個層厚，使噴頭繼續(xù)擠出材料從而完成打印。

2 粒料存儲及輸送結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

粒料FDM 3D打印機(jī)的原材料為顆粒狀塑料，需設(shè)計(jì)物料存儲結(jié)構(gòu)，而且為實(shí)現(xiàn)多色物料混合，需設(shè)計(jì)獨(dú)立盛放原材料的結(jié)構(gòu)[6-7]。粒料存儲及輸送結(jié)構(gòu)的固定方式如圖1所示，儲料倉及步進(jìn)電機(jī)通過螺栓及墊板分別固定在設(shè)備框架的不同支架上。圖2所示為粒料存儲及輸送結(jié)構(gòu)。存儲結(jié)構(gòu)由4個獨(dú)立的存儲室組成，各存儲室出口通過導(dǎo)料管與打印機(jī)供料機(jī)構(gòu)相連，可通過穴播輪來控制各存儲室連通導(dǎo)料管的粒料量，實(shí)現(xiàn)不同粒料的供給量。

2.1 送料裝置結(jié)構(gòu)

在裝置運(yùn)行過程中，需對粒料進(jìn)行定量控制及運(yùn)輸工作。粒料的不連續(xù)性使得定量控制受到了一定程度的限制。為此，設(shè)計(jì)穴播器[8]式送料結(jié)構(gòu)，有效地解決了粒料不連續(xù)性問題。

圖3為穴播輪結(jié)構(gòu)示意圖。穴播輪是具有一定數(shù)目穴槽、并具有運(yùn)輸控制功能的裝置，其表面具有的穴槽可進(jìn)行對粒料的存儲，旋轉(zhuǎn)穴播輪將上方的粒料輸送至下方，通過電機(jī)控制轉(zhuǎn)速大小可實(shí)現(xiàn)對顆粒狀材料的定量運(yùn)輸。

目前市場上的顆粒狀熱塑性塑料顆粒直徑尺寸大部分在2～3 mm，考慮到顆粒的不規(guī)則性，穴槽直徑應(yīng)略大于顆粒直徑，結(jié)合實(shí)際加工要求，取穴槽直徑d=4 mm。3D打印機(jī)一般使用的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速不宜過高，送料速度應(yīng)與打印速度保持一致。參考已有設(shè)備的打印速度及供料速度，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為30～100 r/min，確定穴槽個數(shù)為n=3×8（共3列，每列8個）?？紤]到送料過程中的連續(xù)性及穩(wěn)定性問題，將3列穴槽交錯排列，使粒料最大程度地穩(wěn)定持續(xù)輸送。結(jié)合穴槽數(shù)目及大小確定穴槽輪直徑及長度，得出D輪=13 mm，L輪=13 mm。

根據(jù)對穴播輪旋轉(zhuǎn)送料過程的分析，在同一導(dǎo)料管內(nèi)的同一高度最多可存在2顆塑料顆粒，而塑料顆粒直徑均在2～3 mm范圍內(nèi)，因此選取內(nèi)徑為8 mm的尼龍管作為裝置的導(dǎo)料管，避免了在粒料輸送過程中存在卡料、堵塞的問題。同時，導(dǎo)料管在豎直方向需為單向傳送，避免粒料在導(dǎo)料管內(nèi)存在堆積情況。結(jié)合具體位置結(jié)構(gòu)，送料口至進(jìn)料口的最長距離為260 mm，考慮到在噴頭運(yùn)動過程中，由于各位置送料口與進(jìn)料口之間的角度不同，導(dǎo)料管須有一定的彎曲量，因此導(dǎo)料管的長度取280 mm。

2.2 儲料裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為配合多個進(jìn)料口的彩色打印功能，如圖2中將第1儲料倉分為大小相同的4部分，用于存放3種顏色及白色顆粒狀材料。儲料倉結(jié)構(gòu)為上部方形、下部收口結(jié)構(gòu)，便于連接導(dǎo)管。上方大口為進(jìn)料口，用于材料的儲放與增補(bǔ)，根據(jù)擬定的最大打印尺寸（300 mm×300 mm×300 mm），設(shè)備外形水平尺寸為390 mm×450 mm，為保證設(shè)備整體協(xié)調(diào)性及安裝問題，將第1儲料倉尺寸定為350 mm×350 mm×150 mm（第1儲料倉4個倉室的整體尺寸）;下方小口與穴播輪配合，實(shí)現(xiàn)材料的定量輸送[9]，其內(nèi)腔尺寸與穴播輪進(jìn)行配合，為13 mm×13 mm，另考慮與導(dǎo)料管接頭的連接裝配，其高度定為25 mm;兩口間的過渡采用拔模方式，結(jié)合料倉具體尺寸，拔模角度取60°[6]。

穴播輪解決了粒料不連續(xù)的控制輸送問題，但粒料的不連續(xù)性仍存在于材料的擠出部分。為解決材料在擠出過程中的連續(xù)性問題，在送料系統(tǒng)末端、擠料系統(tǒng)之前設(shè)置第2儲料倉。第2儲料倉通過對粒料的收集及儲存，能夠起到充分調(diào)整粒料均勻性和實(shí)現(xiàn)擠出物料連續(xù)性的作用，同時第2儲料倉所存的物料有限，其物料具有的慣性有限，對工作中的噴頭影響不大。

第2儲料倉的大小需滿足條件：1）工作狀態(tài)中的正常運(yùn)作，保證物料在擠出過程中的連續(xù)性;2）第2儲料倉及其存儲物料的總質(zhì)量應(yīng)遠(yuǎn)小于噴頭擠出裝置的總質(zhì)量，以便降低裝置在工作狀態(tài)中因慣性導(dǎo)致打印精度不足的影響;3）第2儲料倉可實(shí)現(xiàn)多色物料初步混合過程，為保證進(jìn)行多色打印過程中色彩轉(zhuǎn)換過渡時的精確度，第2儲料倉的大小不宜過大。螺桿為兩次變槽深結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)充分混合和加壓的作用，第2儲料倉具體尺寸大小需根據(jù)螺桿大小而定，為方便配合螺桿進(jìn)行粒料旋進(jìn)擠出，下方設(shè)有一定錐度，為保證旋進(jìn)作用力及旋進(jìn)過程的流暢性，拔模角度取30°[10]。

2.3 送料過程分析

粒料在供料系統(tǒng)內(nèi)的輸送[11]共分為3個階段：物料裝載階段（第1階段，如圖4 a）所示），將4種不同顏色的物料分別放入第1儲料倉的4個不同倉室，通過步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動對穴播輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制，實(shí)現(xiàn)了對顆粒狀材料的定速定量控制，同時根據(jù)物料大小對穴播輪上的穴槽尺寸及分布進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確保材料在此階段可順利輸送，正常情況下不會發(fā)生卡料等現(xiàn)象;顆粒狀材料通過出料口進(jìn)入導(dǎo)管（第2階段，如圖4 b）所示），每根導(dǎo)料管內(nèi)徑均大于兩粒物料的直徑和，可保證兩粒物料同時在同一根導(dǎo)料管內(nèi)進(jìn)行輸送，而根據(jù)穴播輪穴槽的排布可知，同一穴播輪在同一時間內(nèi)最多可對兩顆粒料進(jìn)行輸送，綜合以上兩點(diǎn)，可確保粒料在此階段的順暢輸送;粒料通過導(dǎo)料管進(jìn)入第2儲料倉（第3階段，如圖4 c）所示），第2儲料倉與擠料螺桿直接相連，可對一定量的粒料進(jìn)行暫時儲存，在打印工作開始前先開啟供料系統(tǒng)，在第2儲料倉內(nèi)進(jìn)行少量的粒料儲存，在儲量達(dá)到一定值后進(jìn)行擠出打印工作，此過程通過對輸送的顆粒狀材料進(jìn)行儲存，保證了擠出過程中的連續(xù)性問題。

3 擠料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擠出結(jié)構(gòu)是對供料結(jié)構(gòu)輸送的粒料進(jìn)行加熱、熔化、塑化，在打印過程中進(jìn)行擠出功能，通過絲杠及光軸的導(dǎo)向及支撐作用，擠出結(jié)構(gòu)在步進(jìn)電機(jī)的帶動下可在x，y兩軸運(yùn)動，將材料按指定的軌

跡涂覆在平臺或制件已成型的部分。

在第2儲料倉內(nèi)，采用單螺桿結(jié)構(gòu)[12-13]實(shí)現(xiàn)粒料的混合和擠出，通過步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，使變結(jié)構(gòu)螺桿產(chǎn)生旋向力，從而實(shí)現(xiàn)粒料的輸送，并結(jié)合加熱裝置，在輸送的同時實(shí)現(xiàn)熔化、壓縮、均化，最后經(jīng)過噴嘴擠出然后進(jìn)行打印。另外，由于顆粒狀塑料在進(jìn)入擠出裝置時會帶入一定量的空氣及水分，為將空氣及水分排出，還需設(shè)計(jì)單獨(dú)的排氣裝置。擠料結(jié)構(gòu)和螺桿如圖5所示。

3.1 螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在螺桿旋進(jìn)運(yùn)輸過程中，需實(shí)現(xiàn)融料、壓縮、均化3個基本功能，根據(jù)不同的功能，將螺桿分為加料段、壓縮段、均化段（計(jì)量段）3段[14-18]。

FDM 3D打印機(jī)所用材料ABS為無定型（非結(jié)晶）塑料，所需壓縮段長度較長，一般占螺桿有效長度的45%～50%[15]。壓縮段長度根據(jù)長徑比來確定。

加料段在壓縮段上方，其作用是產(chǎn)生足夠的穩(wěn)定壓力，保證穩(wěn)定的固體輸送并將分界面上的塑料預(yù)熱到熔融所需的溫度。為此，應(yīng)保證加料段具有足夠的長度，初定加料段長度在螺桿有效長度的25%～45%[13]。

剩余部分為均化段，在確定其余兩段長度后，剩余部分為此段長度。考慮到實(shí)際情況，均化段長度的增加可提高螺桿均化效果，最后可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加均化段長度，以保證螺桿的工作質(zhì)量。

在螺桿的設(shè)計(jì)過程中，各段長度增加可保證螺桿在成型過程中穩(wěn)定工作及塑件的性能，這就增大了螺桿的長徑比。長徑比的增加使塑料在料筒中塑化更均勻、更充分，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。但長徑比的增加使螺桿加工、裝配難度增大，并且使螺桿在使用過程中易發(fā)生彎曲，易與料筒發(fā)生刮蹭摩擦，降低螺桿使用壽命?？紤]到螺桿的排氣功能設(shè)計(jì)，取值定為15～25 mm/mm。

3.2 螺桿槽深及壓縮比設(shè)計(jì)

螺桿結(jié)構(gòu)如圖6所示，壓縮比是螺桿加料段第1個螺槽容積與均化段最后1個螺槽容積之比，它決定了螺桿均化段內(nèi)物料的裝填程度，取決于物料本身的收縮性、加料時的松密度、以及擠料過程中塑料的回流等因素。查閱粒料顆粒排列方式，計(jì)算出物料裝填時的致密度為0.74，物理壓縮比為1.35。FDM 3D打印技術(shù)常用材料為熱塑性材料，PLA收縮率為0.3～0.5，ABS收縮率為0.5～0.8[19-25]，綜合考慮，設(shè)計(jì)壓縮比ε為1.8。

壓縮比決定了槽深大小。為保證材料進(jìn)入螺桿不發(fā)生卡料等現(xiàn)象，考慮市場塑料顆粒大小在3 mm以下，而螺桿大小應(yīng)與噴頭裝置尺寸相當(dāng)，最終確定進(jìn)料端槽深H1為3.5 mm。

槽深H與螺桿直徑D之間的關(guān)系式為

H=（0.18～0.25）D，（1）

為使螺桿在符合使用要求的前提下螺桿體積達(dá)到最小，取值為H1=0.25D，可得螺桿直徑D為14 mm。

根據(jù)式（2）計(jì)算后取1位小數(shù)，可得均化段槽深為1.8 mm，實(shí)際壓縮比為1.74。

ε=（D-H₁）H₁/（D-H₂）H₂，（2）

式中：ε為螺桿壓縮比;H1 為加料段第1個槽深深度;H2為均化段最后1個槽深深度。

螺桿其他參數(shù)的確定。

單頭螺紋螺桿的螺距、螺旋升角和螺桿直徑之間關(guān)系見式（3）。

S=πDtan Φ?? ，（3）

式中：S為螺桿螺距;Φ為螺旋升角。

從流體輸送的角度講，螺紋升角Φ為30°[15]時傳輸效果達(dá)到最佳，但從加工的角度考慮，一般令S=D，此時螺紋升角Φ=17°42′。

螺紋頂峰寬度的計(jì)算如式（4）所示：

e=（0.08～0.12）D，（4）

式中e為螺紋頂峰寬度。

當(dāng)頂峰寬度e取較大值時，會增加冷面上的功率消耗，同時還會減小螺槽容積;較小時會使漏流增加，降低生產(chǎn)效率，同時還會加速螺桿的磨損，降低螺桿強(qiáng)度。綜合以上兩點(diǎn)考慮，取頂峰寬度e=0.1D。

螺桿裝配間隙太小會造成螺桿與料筒摩擦嚴(yán)重，使用壽命縮短，間隙太大會造成熔料回流嚴(yán)重，效率降低，同時降低打印質(zhì)量，結(jié)合目前市場上螺桿的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將間隙定為δ=0.15 mm。

3.3 排氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

排氣螺桿[15]如圖7所示，該螺桿由2部分組成，排氣口前1段為一階螺桿，由加料段、第1壓縮段、第1均化段組成;第2部分叫二階螺桿，由排氣端、第2壓縮段、第2均化段等組成;在第1均化段與排氣段的過渡過程中，會出現(xiàn)一段直徑驟然變小的區(qū)域，稱為減壓區(qū)，這部分長度占比很小，但卻不可或缺。

塑料在排氣螺桿上經(jīng)歷3個階段。

1）塑料在第1階段中經(jīng)過壓縮、加熱達(dá)到基本塑化狀態(tài)。

2）基本塑化的塑料在進(jìn)入排氣段后，由于排氣段槽深突然加深，壓力急劇降低成負(fù)壓狀態(tài)。塑料熔體受壓縮的氣體和氣化揮發(fā)物的影響，在熔體中形成氣泡，接著在螺桿的攪拌作用下氣泡破裂，其中的氣體從排氣口排出。

3）最后已經(jīng)過排氣處理的熔體通過第2壓縮段和第2均化段，重新受到壓縮和進(jìn)一步均化，從擠出頭擠出進(jìn)行打印。

當(dāng)排氣螺桿在工作狀態(tài)時，塑料在進(jìn)入排氣段之前應(yīng)保證基本塑化，這一要求使得螺桿第1部分應(yīng)具有充足的長度，按照目前螺桿設(shè)計(jì)的要求，一般第1部分長度占全長的53%～58%[15]，減壓段長度不應(yīng)大于1D，排氣段長度Lv≥3D，且排氣段槽深

H_v=MH₂，（5）

式中：Hv為排氣段槽深;M為螺桿排氣系數(shù)，一般取M=2.5～6。

第2壓縮段長度不大于2D，由于攪拌均勻，定壓定量擠出等方面的功能主要由第2均化段決定，所以第1均化段可稍短一些。

為確保螺桿在滿足要求的前提下減小螺桿體積，根據(jù)以上現(xiàn)有螺桿設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行微調(diào)，以滿足直接粒料FDM 3D打印機(jī)的裝配及使用要求，螺桿設(shè)計(jì)的最終結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，研發(fā)了多料口粒料3D打印穴播輪供料系統(tǒng)及螺桿擠出系統(tǒng)。其中，對于穴播輪供料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過對穴播輪定速控制及不同出料口中穴播輪速度的配合，可實(shí)現(xiàn)不同物料的定速、定量配比;經(jīng)第2儲料倉內(nèi)攪拌器的攪拌作用，可實(shí)現(xiàn)均質(zhì)材質(zhì)的初步混合，完成不同顏色的調(diào)配工作。有關(guān)螺桿擠出系統(tǒng)方面，結(jié)合現(xiàn)有注塑成型過程及

理論，對現(xiàn)有螺桿進(jìn)行設(shè)計(jì)及改進(jìn)，使之用于FDM 3D打印機(jī)上。顆粒狀塑料在螺桿的旋進(jìn)作用下經(jīng)螺桿的不同部位，先后完成熱塑性材料的壓縮、均化、塑化過程。在此期間，通過螺桿排氣結(jié)構(gòu)的排氣作用，實(shí)現(xiàn)對熔融狀熱塑性塑料中夾雜的氣體、水蒸氣等進(jìn)行有效排放。通過上述2個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及現(xiàn)有FDM 3D打印設(shè)備運(yùn)動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，可以完成粒料直接3D打印工作，一方面可以省去粒料制絲工序，降低材料成本并節(jié)省制料周期，另一方面，可實(shí)現(xiàn)廢料的有效利用，將殘余廢料經(jīng)剪切成顆粒后可直接進(jìn)行打印。

4 結(jié) 論

針對熔融沉積成型（FDM）技術(shù)供料方式，采用穴播輪送料、螺桿擠出方式，設(shè)計(jì)多料口粒料3D打印供料及擠出系統(tǒng)，得到以下結(jié)論：

1）以FDM技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，采用螺桿旋進(jìn)擠料方式實(shí)現(xiàn)顆粒狀材料的進(jìn)給過程，結(jié)合第2儲料倉的設(shè)計(jì)，解決了顆粒狀材料擠出過程的連續(xù)性問題。

2）采用穴播輪結(jié)構(gòu)，根據(jù)打印速度協(xié)調(diào)4個出料口穴播輪的旋轉(zhuǎn)速度，達(dá)到送料過程中定量配送的目的，實(shí)現(xiàn)不同配比的多色打印過程。

3）完成螺桿多次改變槽深結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過改變槽深大小，經(jīng)加熱熔化后，在進(jìn)給過程中實(shí)現(xiàn)顆粒狀熱塑性塑料的壓縮、均化過程，結(jié)合排氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對擠料過程中顆粒狀材料夾雜的空氣及水蒸氣進(jìn)行排放，解決在成型過程中由熔融態(tài)材料夾雜的氣泡影響制件性能的問題。

本文針對FDM粒料3D打印的供料及擠料過程提出了相應(yīng)的實(shí)施方法，并對擠出過程中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)與理論計(jì)算，針對多色打印轉(zhuǎn)換過程中由于混合程度及殘余物料而引起的色差問題，可根據(jù)對第2儲料倉大小及其他參數(shù)的控制進(jìn)行混料精度的調(diào)整，具體的調(diào)整參數(shù)及方法將在接下來的研究過程中進(jìn)行相應(yīng)的推導(dǎo)計(jì)算及實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)/References：

[1]KOLLAMARAM G，CROKER D M，WALKER G M，et al.Low temperature fused deposition modeling（FDM）3D printing of thermolabile drugs[J].International Journal of Pharmaceutics，2018，545（1/2）：144-152.

[2]FORD S，MINSHALL T. Invited review article：Where and how 3D printing is used in teaching and education[J].Additive Manufacturing，2019，25：131-150.

[3]SERRA T，PLANELL J A， NAVARRO M.High-resolution PLA-based composite scaffolds via 3-D printing technology[J]. Acta Biomaterialia，2013，9（3）：5521-5530.

[4]金澤楓，金楊福，周密， 等.基于FDM聚乳酸3D打印材料的工藝性能研究[J].塑料工業(yè)，2016，44（2）： 67-70.

JIN Zefeng，JIN Yangfu，ZHOU Mi，et al.Research of processing property of PLA materialsfor 3D printing based on FDM [J].China Plastlics Industry，2016，44（2）：67-70.

[5]GAUB H.Customization of mass-produced parts by combining injection molding and additive manufacturing with Industry 4.0 technologies[J].Reinforced Plastics，2016，60（6）：401-404.

[6]宋廷強(qiáng)，邢照合. 一種彩色FDM型3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43（4）：69-71.

SONG Tingqiang，XING Zhaohe.Design and implementation of color FDM 3D printers[J].Application of Electronic Technique，2017，43（4）：69-71.

[7]鄭喜貴，黃子帆，李俊美，等.FDM彩色3D打印機(jī)控制系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代制造工程，2017（12）：66-70.

ZHENG Xigui，HUANG Zifan，LI Junmei，et al.The research of FDM colorful 3D printer control system[J].Modern Manufacturing Engineering，2017（12）：66-70.

[8]戴飛，高愛民，張鋒偉，等.玉米全膜雙壟溝氣動直插式穴播機(jī)設(shè)計(jì)與仿真[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2018，36（5）：284-289.

DAI Fei，GAO Aimin，ZHANG Fengwei，et al.Design and simulation of pneumatic direct insert hill-seeder with corn whole plastic-film on double ridges[J].Agricultural Research in the Arid Areas，2018，36（5）：284-289.

[9]李永偉，朱婧菲，劉占陽，等.連續(xù)輸送物料計(jì)量稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（3）：213-217.

LI Yongwei， ZHU Jingfei， LIU Zhanyang， et al. Design of measuring and weighing system of continuously conveyed materials[J].Journal of Hebei University of? Science and Technology，2013，34（3）：213-217.

[10]陳磊.基于數(shù)值模擬的塑料顆粒3D打印機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

CHEN Lei. The Research of Key Technologies of Plastic Particles 3D Printer Based on Simulation[D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2016.

[11]譚成，張克平.顆粒流體數(shù)學(xué)模型研究進(jìn)展[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（4）：293-296.

TAN Cheng， ZHANG Keping. Research advance in granular flow mathematical model[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology， 2013，34（4）：293-296.

[12]ALBUS C.Development on the production of a new type of extruder used in additive manufacturing FDM technology[J]. Procedia Manufacturing，2018，22：141-146.

[13]陳成軍，杜祥星，李章朋.基于FDM技術(shù)工業(yè)級3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].信息技術(shù)與信息化，2019（2）：46-49.

CHEN Chengjun，DU Xiangxing，LI Zhangpeng.Design and application of industrial grade 3D printer based on FDM technology[J].Information Technology and Informatization，2019（2）：46-49.

[14]陳輝.基于顆粒料成型的3D打印機(jī)若干關(guān)鍵技術(shù)問題研究[D].武漢： 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

CHEN Hui. Research on Several Key Technical Issues of 3D Printers Based on Pellets Forming[D].Wuhan：Huazhong Agricultural Universty，2016.

[15]朱復(fù)華.螺桿設(shè)計(jì)及其理論基礎(chǔ)[M].北京：輕工業(yè)出版社，1984.

[16]ORISALEYE J I，ADEFUYE O A，OGUNDARE A A， et al.Parametric analysis and design of a screw extruder for slightlynon-Newtonian（pseudoplastic） materials[J].Engineering Science and Technology，an International Journal，2018，21（2）：229-237.

[17]田靜，薛平，孫華，等.微型螺桿擠出式3D打印機(jī)的研究進(jìn)展[J].塑料，2018，47（1）：46-51.

TIAN Jing，XUE Ping，SUN Hua，et al.Research development of micro-screw extrusion 3D printer[J].Plastics，2018，47（1）：46-51.

[18]馮剛.螺桿擠出機(jī)擠出過程數(shù)值模擬分析研究進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用，2012，40（4）：96-99.

FENG Gang.Research progress in numerical simulation of screw extruder process[J].Engineering Plastics Application，2012，40（4）：96-99.

[19]YANG Weimin，JIAN Ranran.Research on intelligent manufacturing of 3D printing/copying of polymer[J].Advanced Industrial and Engineering Polymer Research，2019，2（2）：88-90.

[20]李新，孫良雙，楊亮，等.FDM 3D打印高分子材料改性劑應(yīng)用進(jìn)展[J].膠體與聚合，2017，35（3）：139-141.

LI Xin，SUN Liangshuang，YANG Liang，et al.FDM 3D printing polymermodification progressand application[J].Chinese Journal of Colloid & Polymer，2017，35（3）：139-141.

[21]WENG Zixiang，WANG Jianlei，SENTHIL T，et al.Mechanical and thermal properties of ABS/montmorillonite nanocomposites for fused deposition modeling 3D printing[J].Materials & Design，2016，102：276-283.

[22]ALAIMO G，MARCONI S，COSTATO L， et al.Influence of meso-structure and chemical composition on FDM 3D-printed parts[J].Composites Part B：Engineering，2017，113：371-380.

[23]梁曉靜，于曉燕.3D打印用高分子材料及其復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].高分子通報(bào)，2018（4）：27-35.

LIANG Xiaojing，YU Xiaoyan.Research progress of polymer and polymer composite materials for 3D printing[J].Polymer Bulletin，2018（4）：27-35.

[24]齊俊梅， 姚雪麗，陳輝輝，等.3D打印聚合物材料的研究進(jìn)展[J].熱固性樹脂，2019，34（2）：60-63.

QI Junmei，YAO Xueli，CHEN Huihui，et al.Research progress of polymeric materials for 3D printing technology[J].Thermosetting Resin，2019，34（2）：60-63.

[25]李蕾，張清怡，衣惠君.3D打印用ABS的改性與制備[J].工程塑料應(yīng)用，2018，46（9）：19-23.

LI Lei，ZHANG Qingyi，YI Huijun.Modification and preparation of ABS for 3D printing[J].Engineering Plastics Application，2018，46（9）：19-23.