熔融沉積3D打印機分體式擠出的特性分析

王明曉

[摘? ? 要]通過實際加工，分析FDM式3D打印機一體式擠出與分體式擠出在結構和工作原理上的區別及其利弊，提出對分體式擠出堵料問題的解決方案。并對一體式擠出和分體式擠出采用不同打印速度打印的試件進行質量分析，說明分體式擠出的FDM 3D打印機在工作效率上的優勢。

[關鍵詞]FDM;3D打印;一體式擠出;分體式擠出;堵料;打印速度

[中圖分類號]TP391.73 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）04–00–03

Analysis of the Characteristics of Split Extrusion by Fused Deposition 3D Printer

Wang Ming-xiao

[Abstract]Analyze the differences in structure and working principle between FDM 3D printer integrated extrusion and split extrusion and their pros and cons through actual processing， and propose solutions to the problem of material blocking in split extrusion. The quality analysis of the test pieces printed with different printing speeds for integrated extrusion and split extrusion is carried out to illustrate the advantages of the split extrusion FDM 3D printer in work efficiency.

[Keywords]FDM; 3D printing; integrated extrusion; split extrusion;? material blocking; printing speed

FDM即熔融沉積快速成型工藝，是快速成型工藝中最具發展前景的成型工藝。FDM工藝具有成型速度快、成本低、成型精度高等特點，被廣泛用于概念模型、原型件甚至功能件的制造。本工作主要研究3D打印機的一體式擠出和分體式擠出這兩種擠出方式，一體式擠出的3D打印機指的是擠出頭與擠出機結構為一體，工作時擠出電機隨噴頭一起運動，噴頭結構慣性較大，進行往復運動時，振動較大，嚴重影響打印穩定性，限制了打印機的極限打印速度;分體式擠出指的是擠出頭與擠出機結構分開，可以減輕噴頭運動時的慣性，增加工作時的穩定性，提高打印速度。為研究FDM成型工藝，采用的機型是Prusa i3。Prusa i3打印機體積小、操作方便、維修容易，因此用Prusa i3作為對比一體式與分體式擠出比較合適。Prusa i3打印機的一體式擠出如圖1所示。Prusa i3打印機的分體式擠出如圖2所示。

本次使用打印機的控制板采用Repetier-firmware0.91版固件，固件參數是根據實際打印情況進行了調整。使用的上位機軟件是Repetier-Host v1.5.3版本，目的是讓固件與上位機軟件達到最好的兼容效果。切片軟件是CuraEngine，該軟件切片速度較快，參數靈活可調，應用廣泛。打印機控制板選用MKS BASE V1.2版，該控制板是經過優化設計的一體板，性能比較穩定。測試材料為PLA（聚乳酸）。在研究過程中，對兩種擠出方式不同的Prusa i3進行了多次打印測試和操作、記錄數據和對比分析，得出3D打印機的一體式擠出和分體式擠出的區別及其利弊。

1 一體式擠出和分體式擠出在結構上的區別

1.1 一體式擠出

1.1.1 一體式擠出的外部結構

一體式擠出3D打印機中擠料的擠出電機和擠出噴頭是裝配成一體的，如圖3所示。從圖3中可以看出，除了擠出電機與擠出噴頭一體化以外，且擠出電機固定在支架上，擠出電動機上還需安裝散熱風扇，并且看到打印的耗材直接插入擠出機上，然后被擠出電機送到噴頭。

1.1.2 一體式擠出內部結構

一體式擠出局部剖視圖見圖4。

由圖4能清晰了解其內部的結構，喉管和噴嘴均通過螺紋連接緊固在加熱塊上。耗材（ABS或PLA）在步進電機帶動的擠絲輪和U型軸承的壓緊力下被送進喉管，直到耗材到達加熱塊處，被融化然后通過噴嘴擠出。圖中看出漸變的耗材，深顏色表示耗材被加熱的溫度最大，在喉管遠離加熱塊處溫度漸漸下降，但是由于金屬的導熱性，仍然有一定的溫度傳送到步進電機的固定塊上，這樣會使步進電機的溫度上升而影響步進電機的正常使用，所以需要散熱風扇對步進電機進行散熱。

1.2 分體式擠出

1.2.1 分體式擠出外部結構

（1）擠出電機和加熱噴頭分開安裝。在X軸上只需要安裝加熱噴頭，主要作用是加熱耗材擠出，如圖5所示。另外的擠出電機要和送料齒輪裝配，主要作用是送料作用，如圖6所示。這就是分體式擠出和一體式擠出的主要區別，分體式擠出把一體式擠出的功能分成兩部完成。

（2）分體式擠出方式把一體式擠出機的功能分成兩部分，兩者之間需要連接一條導料管（鐵氟龍管），如圖7所示。

1.2.2 分體式擠出內部結構

分體式擠出內部結構剖視圖見圖8。

由圖8能清晰了解其內部的結構，喉管和噴嘴均通過螺紋連接緊固在加熱塊上與一體式擠出的結構類似，唯一不同的就是分體式擠出的喉管另外一端固定在散熱管。耗材同樣在步進電機帶動的擠絲輪和U型軸承的壓緊力下通過送料管被送進喉管，最后被融化通過噴嘴擠出。

2 一體式擠出和分體式擠出的利弊

2.1 一體式擠出的弊端

（1）擠出電機與加熱噴頭裝配成一體，增加了擠出頭在X軸上滑動的重量，當打印的速度提高到一定的程度，往往使擠出頭出現抖動，從而影響打印的質量和精度。

（2）由于擠出電機與加熱噴頭裝配成一體，不僅增大了加熱頭支架的體積，還使打印機X軸的運動行程減短，限制了打印零件的寬度。

（3）如果一體式擠出頭出現堵料的情況，不僅把擠出頭拆出來清理，而且還要把卡在擠出機上的耗材取出、比較麻煩，要把裝在擠出電機上的風扇和電機散熱塊拆出來，很明顯，這個過程帶來了很多不方便。

2.2 分體式擠出的優勢

（1）由于分體式擠出的電機不是安裝在X軸上，使擠出頭的重量明顯減輕了，當打印速度提高時，擠出頭不會出現抖動的情況，相對一體式擠出而言，打印的速度可以提高一倍，而且可以保證打印的質量和精度及縮短了打印時間。

（2）分體式擠出使擠出頭簡單化，所以拆裝擠出頭部分比較方便，有利于堵料時快速地清潔擠出頭。

2.3 FDM式3D打印分體式擠出易出現堵料問題分析及解決方案

分體式擠出易出現以下兩種堵料的現象。

（1）喉管堵料。由圖8得知耗材受熱的長度比近程擠出的長，也是由于金屬的導熱性，散熱管也有一定的溫度，會使耗材在散熱管處融化，這也是遠程擠出容易發生堵料的原因。

（2）噴嘴堵料。熱敏電阻（安裝于加熱塊中）檢測溫度失真，噴頭溫度比顯示溫度高很多，導致料絲碳化發硬，堵住噴嘴。

由于分體式擠出最常出現的問題就是喉管堵料，因此在這里只分析喉管堵料的問題。擠出頭最前端有加熱管，會把塑料熔化成黏流態。后面的塑料繼續往前推擠，就可以讓黏流態的塑料從噴孔擠出，這是工作原理。但是喉管中心通道鉆孔的孔徑，一定要大于塑料的直徑。甚至塑料本身直徑有誤差，有時候會稍微細一點。所以喉管通孔與塑料之間一定會有間隙。前端熔化的塑料受到擠壓后，不只會從噴孔擠出，也會從后端的間隙倒流回去。一般不常看到圖9中那樣夸張得從喉管后端溢出，但是如果倒流的距離稍長，則塑料與喉管之間的摩擦力變得很大，進退不得，如圖9所示。

解決的辦法是讓喉管散熱。加熱頭以外的部分，盡量散熱。例如散熱管的位置，盡量散熱，讓溫度低到能夠使倒流的塑料凝固，達到阻止倒流的目的。凝固的部分雖然也會增加摩擦力，但是范圍控制得夠小，摩擦力增加的幅度就會受到控制。

經過長時間實踐，在散熱管位置處安裝一個接電源的風扇，使風扇在整個打印過程中一直工作，這樣就能夠避免喉管堵料。

本次做一個打印速度測試，分別使用一體式和分體式擠出的3D打印機以不同的速度打印外形尺寸20 mm×20 mm×5 mm，內孔10 mm×10 mm的四方體，使用軟件Repetier-Host，切片軟件為CuraEngine，切片軟件設置的打印速度為50%，打印結果見表1，表中打印速度均為軟件Repetier-Host所設置的打印速度。

分析表1中兩種機型所打印的打印件：

打印速度150 mm/s時，一體式擠出i3的抖動情況開始比分體式擠出i3的大，打印精度也開始降低，棱邊不直，出現翹角;

打印速度200 mm/s時，一體式擠出i3打印精度仍然很低，并出現表明粗糙，填充不足的情況，而分體式擠出i3仍然保證100 mm/s的表面質量和精度，但與一體式擠出的一樣出現輕微的翹角情況;

打印速度300 mm/s時，一體式擠出i3打印精度低，翹角明顯，表面粗糙，填充不足更加嚴重，而分體式的打印精度也有所降低，但其質量在此速度仍保持著一體式擠出i3在150 mm/s的狀態。

與一體式擠出i3相比，分體式擠出i3在打印速度方面取得很大的優勢，在保證打印制品的質量的前提下，分體式擠出i3在高速打印下極大提高了工作效率和穩定性。

3 結束語

講述了FDM3D打印機中分體式擠出和一體式擠出兩種擠出方式在結構上和工作原理上的區別。理解分體式擠出和一體式擠出兩種方式的工作原理后，并分析它們的利弊，有利于之后的打印速度測試的分析。分體式擠出方式在堵料上的問題得到了解決，就能分別對一體式擠出和分體式擠出在打印速度方面進行對比。分別以不同的打印速度打印出相同規格的測試方塊，對測試方塊進行對比分析，得出的結論是分體式擠出式比一體式擠出式所打印的速度快一倍的前提下，所打印的模型質量和精度也得到保證，因此，在工作效率上分體式擠出式的FDM3D打印機占很大的優勢。

參考文獻

[1] 孫春華.FDM成形件精度預測模型的建立[J].機械科學與技術，2010（3）：399-403.

[2] 胡發宗.三維立體打印機的成形技術[M].上海：上海交通大學出版社，2012.