紅寶石在FFF技術3D打印機中的應用

［摘 要］ 增材制造（3D 打印）是新興制造業，集合了信息網絡技術、先進材料技術及數字制造技術，廣泛應用于汽車、電子、醫療、航空航天、建筑等領域。文章針對FFF 技術3D 打印設備在高強度、高分子材料的使用過程中，對擠出噴嘴磨損大等問題提出紅寶石在FFF 技術3D 打印設備擠出中的應用方案。從材料硬度、光潔度、導熱系數等方面認證其與3D 打印擠出系統的相關性。實踐表明，該應用可提高擠出噴嘴對材料的適用性并延長其使用壽命，降低擠出噴嘴使用成本。

［關鍵詞］紅寶石噴嘴；擠出熱端；3D 打印機

［中圖分類號］TP391.73 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0074–03

增材制造（3D 打印）是以數字模型為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式堆積制造出實體物品的新興制造技術，廣泛應用于汽車、電子消費品、醫療、航空航天、建筑等領域。

自2015 年起，深圳成立增材制造產業集聚區，形成材料、硬件、軟件及應用服務一體的生態鏈系統。安徽繁昌規劃建設春谷3D 打印產業園，為工業制造、醫療器械等行業提供服務。長沙與西安依托高校資源，大力發展3D 打印，特別是在金屬3D 打印方面，技術處于行業領先。

在產業體系方面，2022年9月，上海市會同江蘇省、浙江省共同發布的《上海大都市圈空間協同規劃》中提出3D 打印是未來的新產業重點發展方向。在技術創新方面，“十四五”國家重點研發計劃重點專項涉及21 項增材制造任務，重點發展高溫合金、人體骨骼等材料粉體制造技術，增材制造技術，輕質高強合金結構功能一體化設計技術。

擠出噴嘴材料的硬度、光潔度、導熱系數等參數直接影響著高溫、高強度打印材料的應用，提高擠出噴嘴對材料的適用性并延長其使用壽命，降低擠出噴嘴使用成本，對行業的發展有重要意義。

1 噴嘴分類

在增材制造（3D 打印）行業中有非常多的技術成型路線，其中FFF 技術指熔絲制造，也稱熔融制造（FDM），主要是一定規則直徑下絲狀材料通過加熱后形成熔融粘稠狀態，x 軸、y 軸、z 軸與擠出軸相互運動，在一定直徑擠出噴嘴中被壓力擠出，成型于x、y 平面上，z 軸按一定值進行單向運動，堆疊成3D形狀。

在常規絲狀材料中，一般有直徑3 mm 與直徑1.75 mm 兩種材料，擠出噴嘴直徑在綜合精度與效率的同時，一般選擇直徑0.4 mm 的噴嘴。打印材料一般有PLA、ABS、PETG、TPU、PC、PEEK、碳纖維尼龍等。在高溫壓力擠壓過程中，材料持續從0.4 mm的擠出噴嘴中被擠出，0.4 mm 直徑需要長期承受著擠壓摩擦。

1.1 黃銅噴嘴

在FFF 技術3D 打印設備中，擠出噴嘴采用黃銅材料是大多數設備的主要選擇。H59 牌號黃銅，經濟性好，可加工性強。在常用3D 打印材料中，PLA及ABS 運用較為廣泛，尤其是PLA 材料應用更廣。PLA 是以乳酸為主要原料聚合得到的聚酯類聚合物，是一種新型的生物降解材料，加工溫度為170～230℃，非常適合擠出成型加工。FFF 技術3D 打印設備的擠出噴嘴安裝及使用工況如下。

熱端組件一般由噴嘴、加熱塊、喉管、散熱器、加熱棒及溫感器組成。根據打印材料的不同，打印模版會設定不同溫度參數。執行打印過程中，設備給加熱棒供電并進行加熱，加熱棒安裝在鋁加熱塊上，銅噴嘴通過螺紋與鋁加熱塊連接，使得鋁加熱塊與黃銅噴嘴處于加溫狀態。溫感器安裝在鋁加熱塊內，軟件根據模版設定打印材料需求的對應溫度，溫感器控制加熱棒加熱狀態，使得鋁加熱塊與黃銅噴嘴達到對應打印材料需求的溫度。打印材料為絲狀固體，線徑為1.75 mm，經過熱端組件低溫區，即喉管上半部分且與鋁散熱器安裝在一起，目的是保持打印材料處于低溫固體狀態，以增加擠出力。熱端組件高溫區，即喉管下半部分通過螺紋擰入鋁加熱塊中，目的是保持打印材料進入高溫區域后，快速熔融打印材料，使得打印材料熔為稠狀，并經過熱端組件黃銅噴嘴（直徑0.4 mm）擠出，同時在打印平臺上形成x、y 坐標圖形。

打印材料在不斷擠出過程中，熱量也將隨著材料擠出而被帶走。這時需要黃銅噴嘴快速傳遞溫度變化到鋁加熱塊，再傳導至溫感器，從而觸發加熱棒工作，補充加熱溫度。為獲得好的擠出打印效果，需要噴嘴與加熱塊端的溫度快速傳導，以提升打印速度。

綜上所述，在綜合成本、導熱性、硬度、熱變形及加工性方面，黃銅是最優選擇。

1.2 不銹鋼噴嘴

伴隨著打印材料種類的增多，越來越多更高強度的高分子材料被應用，如PC、PEEK、碳釬維尼龍、PA 尼龍等。

PC（聚碳酸酯）強度高、耐高溫、熱塑性好，是很多ABS 無法滿足性能需求的首選替代材料。

PEEK（聚醚醚酮）易加工、強度高、耐高溫、耐磨，是電子、醫療等行業常用材料。

碳纖維（以下簡稱“CF”）是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。CF 重量輕，但強度非常高，并且具有耐磨性，在軍工、航空航天等領域運用非常廣泛。

在這些打印材料中，打印溫度將超過260℃，傳統的黃銅噴嘴熱端存在技術缺陷，極易造成0.4 mm孔徑的磨損，從而影響打印精度。不銹鋼材料有比較好的強度及加工性，不銹鋼SUS304 或者SUS316L硬度是黃銅H59 的2 倍及以上，在沒有潤滑的應用場景下，不銹鋼的耐磨性要明顯優于黃銅。不銹鋼的熱傳導系數比較低，不銹鋼材料導熱系數僅為黃銅材料的約1/20。

在打印碳纖維材料過程中，進行了黃銅材料擠出噴嘴與不銹鋼材料擠出噴嘴的壽命對比，測試數據見表1。

綜合上述信息，黃銅擠出噴嘴在常規PLA 材料方面有比較好的應用場景。在更高溫、更高強度材料打印，不銹鋼材質擠出噴嘴雖然在壽命上優于黃銅噴嘴，但打印速度會降低，而且壽命提升的絕對值不大，對于使用者來講，還是希望有更優設計。即在不影響打印速度，甚至有可能提升打印速度的情況下，提高擠出噴嘴的絕對使用壽命值。

1.3 紅寶石噴嘴

文章提出的紅寶石噴嘴，將黃銅與紅寶石結合，既具備黃銅導熱性好、可加工性強、成本低等優勢，也具備紅寶石硬度高、光潔度高等特點，使得擠出噴嘴導熱快、擠出接觸面摩擦力減小、耐磨度增加，從而延長擠出噴嘴使用壽命并提高其對更多材料的適用性。

2 紅寶石噴嘴設計

2.1 技術難點

隨著增材制造技術的不斷發展，工裝夾具、醫療、航空航天、軍工等行業不斷探索高強度、輕質量的材料，尋求以塑代鋼的解決方案。針對高強度材料在FFF 技術3D 打印機中的應用，其打印設備如何進行技術創新，尤其是關鍵零部件擠出擠出噴嘴的硬度、耐磨性、耐高溫、易加工性及經濟性指標如何滿足材料的需求，是必須解決的技術難點。傳統的黃銅噴嘴導熱快，易加工及經濟性優良，但在缺乏硬度與耐磨性，無法滿足應用場景。不銹鋼噴嘴雖然在硬度與耐磨性方面較黃銅噴嘴提升了2 倍，但經過測試后的絕對壽命值并不理想，絕對值提升非常有限，并且還影響打印速度，所以不銹鋼噴嘴也不是好的解決方案。

2.2 解決方案

紅寶石噴嘴是將擠出噴嘴本體繼續保留黃銅材料，使用黃銅的導熱系數高的特性，可以快速導熱。在黃銅噴嘴0.4 mm 孔徑、約2 mm 處的擠出端鑲嵌紅寶石材料，用于承受打印材料的擠出摩擦力，發揮紅寶石硬度高及光滑等特性。紅寶石噴嘴在打印材料適用溫度方面可達350℃。

打印材料固體狀態下直徑為1.75 mm，經噴嘴擠出后成型直徑為0.4 mm，10 mm 打印材料將產生191.4 mm 的成型位移尺寸。

黃銅鑲嵌紅寶石噴嘴適配市場上大多數打印材料，如PLA、ABS、PETG、TPU、PP、PC、PA、PEI， 以及含有碳纖維等研磨添加劑的復合型材料。在使用碳纖維材料測試過程中，累計打印1 000 h 以上（2 個月），噴嘴紅寶石處0.4 mm 孔徑經測量未明顯變大，檢具直徑0.42 mm塞規可以止住。顯微鏡下觀察，紅寶石噴嘴未見明顯磨損，使用壽命是黃銅噴嘴的50倍以上，是不銹鋼噴嘴的25倍以上。

3 應用實例分析

3.1 應用案例

2022 年9 月，我國某新能源企業希望與上海復志信息科技股份有限公司配合，在3 日內完成1 000 件氦檢工序上的零件。經討論分析，決定選用基于高性能、高溫尼龍的碳纖維增強復合材料（PPA CF15），該材料具有高剛性和高強度的特性，正常熱端打印溫度為300℃，設備官方推薦使用硬化鋼及以上等級噴嘴，適配打印機型為E2CF。

由于交付時間短，E2CF 機型暫時沒有現貨，決定將E2 機型進行熱端改造升級。使用黃銅鑲嵌紅寶石噴嘴，投入改造20 臺E2 機型，分批交付。

3.2 應用效果

上海復志信息科技股份有限公司在第3 天完成了1 000 件的全部交付，產品質量符合客戶使用工況要求，也為后續3D 打印技術在新能源行業運用提供了很好的口碑。

4 結束語

隨著增材制造技術的發展，更多高強度、高耐磨性新材料被運用。銅鑲嵌紅寶石噴嘴技術的提出和驗證使用，很好地解決了噴嘴打印壽命、打印速度及材料兼容性的問題。黃銅鑲嵌紅寶石噴嘴技術在FFF技術3D 打印機中發揮重要作用，并且將進一步引發技術的創新。

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