基于FDM技術的多料口粒料3D打印供料及擠料系統設計

馬世博　閆華軍　李碩超　梁帥　周興邦

摘 要：FDM 3D打印機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現均勻混合，使得FDM彩色混色3D打印技術具有一定的局限性，難以實現多色混色打印。針對以上問題，根據傳統擠出技術并結合熔融沉積（FDM）技術特點，研制了粒料式FDM 3D打印設備供料及擠出系統，原材料直接選用顆粒狀塑料，并設計了多個進料口、儲料倉和排氣螺桿，進料采用穴播輪控制方式。設計結果可以實現不同顏色、不同塑料進料量的合理配比，使顆粒塑料實現充分熔化、加壓、均化、排氣、再均化、擠出過程，實現均質材質的粒料3D打印過程及多色混色打印過程。所提出的設計可以使用粒料直接進行3D打印，既降低了制料成本、縮短了制料周期，又實現了廢料的有效利用，可為3D打印技術的發展提供參考。

關鍵詞：塑性加工工藝與設備;材料成型;熔融沉積成型;粒料;多料口;螺桿

中圖分類號：TQ320.63 文獻標志碼：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（3D打印技術）以數字模型為基礎，采用逐層疊加的方式進行物品生產制作，此技術目前在珠寶、鞋類、工業設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車、航空航天、醫療[1]、教育[2]、地理信息系統、土木工程等領域都有所應用。熔融沉積成型技術（FDM，fused deposition modeling）[3]是增材制造技術的一種，將熱塑性材料熔化、擠出后沿一定軌跡進行堆積成型，所用的絲狀熱塑性材料采用塑料顆粒原料，經加熱熔化、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打印機有德國ARBURG公司的freeformer3D打印機[5]、意大利WASP公司的Delta WASP顆粒3D打印機等。Freeformer3D打印機通過振針敲擊將顆粒材料熔化成液滴實現打印，成型效果可觀，但其為工業級設備，造價較高;Delta WASP顆粒3D打印機采用螺桿旋進進行粒料的供給，其儲料區隨噴頭的移動而移動，存在的慣性會影響打印精度。這些打印機均實現了由粒料直接進行打印的技術突破，為粒料FDM 3D打印機的研制提供了依據和可行性。

本文設計了一種基于FDM技術的粒料3D打印供料及擠出系統，實現由顆粒狀粒料直接進行打印的功能，通過設置多個進料口，在不同進料口放置不同顏色的粒料，通過控制不同料口進料的比例，實現顏色混合，從而達到顏色多樣性的效果。

1 粒料3D打印機設計思路

為降低FDM 3D打印材料成本，擬設計一套采用粒料供料方式的FDM 3D打印機。如圖1所示為設備總裝圖，從上至下依次為供料系統、擠出系統、成型區3部分，其中供料系統由第1儲料倉、第2儲料倉、穴播輪、步進電機等組成，通過步進電機的旋進作用帶動穴播輪實現粒料的定量定速進給;擠出系統由料筒、噴頭、加熱塊、加熱棒、螺桿、排氣閥等組成，由步進電機帶動螺桿進行旋轉推進，粒料進入料筒的同時，通過固定在加熱塊上的加熱棒進行加熱變為熔融態，隨螺桿的旋進作用從噴嘴擠出;成型區主要為制件成型工作區，噴頭在xy平面隨成型軌跡運動，伴隨擠出系統的擠料作用，將熔融態塑料沿軌跡擠在打印平臺上，平臺在z軸方向做直線運動，每打印完一層平臺將下移一個層厚，使噴頭繼續擠出材料從而完成打印。

2 粒料存儲及輸送結構設計

粒料FDM 3D打印機的原材料為顆粒狀塑料，需設計物料存儲結構，而且為實現多色物料混合，需設計獨立盛放原材料的結構[6-7]。粒料存儲及輸送結構的固定方式如圖1所示，儲料倉及步進電機通過螺栓及墊板分別固定在設備框架的不同支架上。圖2所示為粒料存儲及輸送結構。存儲結構由4個獨立的存儲室組成，各存儲室出口通過導料管與打印機供料機構相連，可通過穴播輪來控制各存儲室連通導料管的粒料量，實現不同粒料的供給量。

2.1 送料裝置結構

在裝置運行過程中，需對粒料進行定量控制及運輸工作。粒料的不連續性使得定量控制受到了一定程度的限制。為此，設計穴播器[8]式送料結構，有效地解決了粒料不連續性問題。

圖3為穴播輪結構示意圖。穴播輪是具有一定數目穴槽、并具有運輸控制功能的裝置，其表面具有的穴槽可進行對粒料的存儲，旋轉穴播輪將上方的粒料輸送至下方，通過電機控制轉速大小可實現對顆粒狀材料的定量運輸。

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，考慮到顆粒的不規則性，穴槽直徑應略大于顆粒直徑，結合實際加工要求，取穴槽直徑d=4 mm。3D打印機一般使用的電機為步進電機，其轉速不宜過高，送料速度應與打印速度保持一致。參考已有設備的打印速度及供料速度，設計轉速為30～100 r/min，確定穴槽個數為n=3×8（共3列，每列8個）。考慮到送料過程中的連續性及穩定性問題，將3列穴槽交錯排列，使粒料最大程度地穩定持續輸送。結合穴槽數目及大小確定穴槽輪直徑及長度，得出D輪=13 mm，L輪=13 mm。

根據對穴播輪旋轉送料過程的分析，在同一導料管內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，因此選取內徑為8 mm的尼龍管作為裝置的導料管，避免了在粒料輸送過程中存在卡料、堵塞的問題。同時，導料管在豎直方向需為單向傳送，避免粒料在導料管內存在堆積情況。結合具體位置結構，送料口至進料口的最長距離為260 mm，考慮到在噴頭運動過程中，由于各位置送料口與進料口之間的角度不同，導料管須有一定的彎曲量，因此導料管的長度取280 mm。

2.2 儲料裝置的結構設計

為配合多個進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。儲料倉結構為上部方形、下部收口結構，便于連接導管。上方大口為進料口，用于材料的儲放與增補，根據擬定的最大打印尺寸（300 mm×300 mm×300 mm），設備外形水平尺寸為390 mm×450 mm，為保證設備整體協調性及安裝問題，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，實現材料的定量輸送[9]，其內腔尺寸與穴播輪進行配合，為13 mm×13 mm，另考慮與導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的控制輸送問題，但粒料的不連續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性問題，在送料系統末端、擠料系統之前設置第2儲料倉。第2儲料倉通過對粒料的收集及儲存，能夠起到充分調整粒料均勻性和實現擠出物料連續性的作用，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）工作狀態中的正常運作，保證物料在擠出過程中的連續性;2）第2儲料倉及其存儲物料的總質量應遠小于噴頭擠出裝置的總質量，以便降低裝置在工作狀態中因慣性導致打印精度不足的影響;3）第2儲料倉可實現多色物料初步混合過程，為保證進行多色打印過程中色彩轉換過渡時的精確度，第2儲料倉的大小不宜過大。螺桿為兩次變槽深結構，可實現充分混合和加壓的作用，第2儲料倉具體尺寸大小需根據螺桿大小而定，為方便配合螺桿進行粒料旋進擠出，下方設有一定錐度，為保證旋進作用力及旋進過程的流暢性，拔模角度取30°[10]。

2.3 送料過程分析

粒料在供料系統內的輸送[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，通過步進電機的驅動對穴播輪進行旋轉控制，實現了對顆粒狀材料的定速定量控制，同時根據物料大小對穴播輪上的穴槽尺寸及分布進行了設計，確保材料在此階段可順利輸送，正常情況下不會發生卡料等現象;顆粒狀材料通過出料口進入導管（第2階段，如圖4 b）所示），每根導料管內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料管內進行輸送，而根據穴播輪穴槽的排布可知，同一穴播輪在同一時間內最多可對兩顆粒料進行輸送，綜合以上兩點，可確保粒料在此階段的順暢輸送;粒料通過導料管進入第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行暫時儲存，在打印工作開始前先開啟供料系統，在第2儲料倉內進行少量的粒料儲存，在儲量達到一定值后進行擠出打印工作，此過程通過對輸送的顆粒狀材料進行儲存，保證了擠出過程中的連續性問題。

3 擠料結構設計

擠出結構是對供料結構輸送的粒料進行加熱、熔化、塑化，在打印過程中進行擠出功能，通過絲杠及光軸的導向及支撐作用，擠出結構在步進電機的帶動下可在x，y兩軸運動，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，采用單螺桿結構[12-13]實現粒料的混合和擠出，通過步進電機的驅動，使變結構螺桿產生旋向力，從而實現粒料的輸送，并結合加熱裝置，在輸送的同時實現熔化、壓縮、均化，最后經過噴嘴擠出然后進行打印。另外，由于顆粒狀塑料在進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，還需設計單獨的排氣裝置。擠料結構和螺桿如圖5所示。

3.1 螺桿結構設計

在螺桿旋進運輸過程中，需實現融料、壓縮、均化3個基本功能，根據不同的功能，將螺桿分為加料段、壓縮段、均化段（計量段）3段[14-18]。

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

加料段在壓縮段上方，其作用是產生足夠的穩定壓力，保證穩定的固體輸送并將分界面上的塑料預熱到熔融所需的溫度。為此，應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，最后可根據實際情況適當增加均化段長度，以保證螺桿的工作質量。

在螺桿的設計過程中，各段長度增加可保證螺桿在成型過程中穩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，從而提高了產品的質量。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生彎曲，易與料筒發生刮蹭摩擦，降低螺桿使用壽命。考慮到螺桿的排氣功能設計，取值定為15～25 mm/mm。

3.2 螺桿槽深及壓縮比設計

螺桿結構如圖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，設計壓縮比ε為1.8。

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

槽深H與螺桿直徑D之間的關系式為

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到最小，取值為H1=0.25D，可得螺桿直徑D為14 mm。

根據式（2）計算后取1位小數，可得均化段槽深為1.8 mm，實際壓縮比為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。

螺桿其他參數的確定。

單頭螺紋螺桿的螺距、螺旋升角和螺桿直徑之間關系見式（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′。

螺紋頂峰寬度的計算如式（4）所示：

e=（0.08～0.12）D，（4）

式中e為螺紋頂峰寬度。

當頂峰寬度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，降低生產效率，同時還會加速螺桿的磨損，降低螺桿強度。綜合以上兩點考慮，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重，使用壽命縮短，間隙太大會造成熔料回流嚴重，效率降低，同時降低打印質量，結合目前市場上螺桿的設計標準，將間隙定為δ=0.15 mm。

3.3 排氣結構設計

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，會出現一段直徑驟然變小的區域，稱為減壓區，這部分長度占比很小，但卻不可或缺。

塑料在排氣螺桿上經歷3個階段。

1）塑料在第1階段中經過壓縮、加熱達到基本塑化狀態。

2）基本塑化的塑料在進入排氣段后，由于排氣段槽深突然加深，壓力急劇降低成負壓狀態。塑料熔體受壓縮的氣體和氣化揮發物的影響，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，重新受到壓縮和進一步均化，從擠出頭擠出進行打印。

當排氣螺桿在工作狀態時，塑料在進入排氣段之前應保證基本塑化，這一要求使得螺桿第1部分應具有充足的長度，按照目前螺桿設計的要求，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，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，根據以上現有螺桿設計標準進行微調，以滿足直接粒料FDM 3D打印機的裝配及使用要求，螺桿設計的最終結構尺寸如表1所示。

根據以上設計，研發了多料口粒料3D打印穴播輪供料系統及螺桿擠出系統。其中，對于穴播輪供料系統的設計，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，可實現不同物料的定速、定量配比;經第2儲料倉內攪拌器的攪拌作用，可實現均質材質的初步混合，完成不同顏色的調配工作。有關螺桿擠出系統方面，結合現有注塑成型過程及

理論，對現有螺桿進行設計及改進，使之用于FDM 3D打印機上。顆粒狀塑料在螺桿的旋進作用下經螺桿的不同部位，先后完成熱塑性材料的壓縮、均化、塑化過程。在此期間，通過螺桿排氣結構的排氣作用，實現對熔融狀熱塑性塑料中夾雜的氣體、水蒸氣等進行有效排放。通過上述2個關鍵結構系統及現有FDM 3D打印設備運動系統的協調配合，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，降低材料成本并節省制料周期，另一方面，可實現廢料的有效利用，將殘余廢料經剪切成顆粒后可直接進行打印。

4 結 論

針對熔融沉積成型（FDM）技術供料方式，采用穴播輪送料、螺桿擠出方式，設計多料口粒料3D打印供料及擠出系統，得到以下結論：

1）以FDM技術為基礎，結合螺桿結構設計方法，采用螺桿旋進擠料方式實現顆粒狀材料的進給過程，結合第2儲料倉的設計，解決了顆粒狀材料擠出過程的連續性問題。

2）采用穴播輪結構，根據打印速度協調4個出料口穴播輪的旋轉速度，達到送料過程中定量配送的目的，實現不同配比的多色打印過程。

3）完成螺桿多次改變槽深結構的設計，通過改變槽深大小，經加熱熔化后，在進給過程中實現顆粒狀熱塑性塑料的壓縮、均化過程，結合排氣結構設計，對擠料過程中顆粒狀材料夾雜的空氣及水蒸氣進行排放，解決在成型過程中由熔融態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的實施方法，并對擠出過程中的關鍵結構參數進行了相應的設計與理論計算，針對多色打印轉換過程中由于混合程度及殘余物料而引起的色差問題，可根據對第2儲料倉大小及其他參數的控制進行混料精度的調整，具體的調整參數及方法將在接下來的研究過程中進行相應的推導計算及實踐。

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