楊磊，馬睿，黃部東，徐云龍（寧夏共享模具有限公司，寧夏銀川750021）

FDM 3D打印擠出螺桿設(shè)計及應用研究

楊磊，馬睿，黃部東，徐云龍
（寧夏共享模具有限公司，寧夏銀川750021）

合理應用FDM 3D打印技術(shù)，關(guān)鍵在于合理的擠出裝置結(jié)構(gòu)、最優(yōu)的擠出螺桿參數(shù)，最佳的擠出螺桿轉(zhuǎn)速與打印進給速度的匹配關(guān)系，以此來保證3D打印螺桿的擠出量，提高打印效率，并且根據(jù)進給速度的大小來分配材料擠出速度，使材料均勻擠出成型。本文通過理論計算與實驗對比，來確定螺桿參數(shù)及轉(zhuǎn)速與擠出量的關(guān)系，并且確定轉(zhuǎn)速與進給速度最佳匹配關(guān)系，使材料平穩(wěn)擠出成型。

FDM；擠出螺桿；轉(zhuǎn)速；進給速度

近年來，傳統(tǒng)的制造業(yè)在不斷地尋求轉(zhuǎn)型升級，使得3D打印工藝方法得到大力的引進與推廣[1]。其中熔融沉積成型FD M是3D打印的一種，其具有工藝簡單、制作方便、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)點，已成為目前應用最為廣泛的一種3D打印方法[2]。

在FD M 3D打印中，螺桿是最核心部件，其肩負著精確、定量地將熔融原料進行傳送的任務(wù)。影響打印效率的關(guān)鍵因素在于擠出螺桿的自身結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作轉(zhuǎn)速[3]，影響打印產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素在于擠出量與打印進給速度的匹配關(guān)系[4]。

本文基于研究高效、高質(zhì)量的3D打印設(shè)備，對擠出螺桿的結(jié)構(gòu)進行了核算，使得在滿足要求的打印效率的基礎(chǔ)上選擇最佳的螺桿參數(shù)。為得到均勻的產(chǎn)品表面質(zhì)量，通過實驗方法得出打印進給速度與擠出螺桿轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系。

1 螺桿設(shè)計

1.1 參數(shù)理論計算

為保證3D打印機的擠出量，將采取輔助加熱裝置使得材料進入加料端后快速達到熔融狀態(tài)，使材料輸送更均勻。

目前對3D打印擠出螺桿結(jié)構(gòu)方面沒有專門的研究，一般借鑒注塑機成型方法中擠出螺桿的結(jié)構(gòu)來進行設(shè)計。注塑成型方法中，一般將固體顆粒原料加入進料端后，通過加熱筒快速加熱并保溫，使材料變成黏稠狀，螺桿轉(zhuǎn)動過程中將材料傳送到出料口，并最終定壓、定溫、定量被擠出。圖1為擠出螺桿結(jié)構(gòu)示意圖。

1.1.1 螺桿直徑選取

目前注塑行業(yè)中，針對不同的塑料原材料，螺桿選取的各參數(shù)不同。首先根據(jù)需求的材料種類及產(chǎn)量選擇合適的螺桿直徑。以PV C材料為例，目前有針對PV C材料注塑螺桿參數(shù)選取的行業(yè)標準ZB G95009.1-88，如表1所示。本文以需求產(chǎn)量15kg/h為例，選擇直徑為30mm螺桿。

1.1.2 螺桿各段槽深設(shè)計

注塑螺桿通常分為三段，即進料段、壓縮段及均化段[5]。進料段顧名思義原料剛剛進入階段，屬固態(tài)和熔融態(tài)混合階段，容量較大，因此槽深相對較深。壓縮段是對熔融原料進行壓實，此段槽深是漸變過程。均化段槽深最淺，直接連接擠出頭，使材料能被均勻、定量擠出。

圖1 螺桿擠出結(jié)構(gòu)示意圖

表1 注塑螺桿行業(yè)標準ZBG95009.1-88

根據(jù)經(jīng)驗，進料段槽深h1=（0.12-0.14）D，均化段槽深h3=（0.05-0.07）D；壓縮段槽深是從h1到h3漸變，壓縮比例ε=h1/h3，一般壓縮比取2.

1.1.3 螺桿各段長度設(shè)計

擠出效率與擠出質(zhì)量與各段長度關(guān)系密切，進料段太短會導致固態(tài)材料沒有足夠時間熔融而直接進入壓縮段，增大螺桿所受背壓力和剪切力，甚至會導致螺桿疲勞斷裂，降低其使用壽命[6]。當螺桿太長，由于持續(xù)受熱，導致熔融原料黏度降低，造成漏流現(xiàn)象，難以保證打印產(chǎn)品質(zhì)量。通常根據(jù)不同原材料的物理及化學特性，螺桿各段長度分配比例選取有所不同，表2為適合各材料的長徑比及各段的長度分配。

由此可以根據(jù)材料種類及螺桿直徑來計算螺桿長度及各段長度分配。從表中可以看出壓縮段長度最長，其原因為3D打印是材料從固態(tài)到熔融狀態(tài)后，不斷堆積再凝固成型的過程，材料從固態(tài)到熔融態(tài)后，中間出現(xiàn)氣泡等空心狀態(tài)，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量，壓縮段長會有足夠的空間和時間來將熔融狀態(tài)的原料混合均勻并壓實。

表2 螺桿長度參數(shù)及分配

1.1.4 擠出量的計算

螺桿參數(shù)直接影響擠出效率，通過螺桿參數(shù)精確計算擠出量，對擠出裝置前期的設(shè)計及后期打印工藝的設(shè)計均提供有效依據(jù)。通常，擠出量的計算按照螺桿均化段旋轉(zhuǎn)一周所擠出物料的體積來計算。因此，將螺桿均化段一周進行展開，儲存物料的空間剛好為一個平行四邊體，如圖2為螺桿主要參數(shù)示意圖，圖3為螺桿展開圖。

圖2 螺桿主要參數(shù)示意圖

圖3 螺桿展開圖

根據(jù)圖3模型可得出，螺桿旋轉(zhuǎn)一圈所擠出物料體積計算公式為式（1）：

通常，螺桿的螺距與螺桿的外徑相等，即S=D，由此可得出螺旋角的計算公式為式（2）：

法向螺距是楞寬與槽寬的和，一般楞寬占螺距的十分之一，因此槽寬k的計算公式為式（3）：

通常h3=0.07D，綜合公式（1）、（2）及（3）可得螺桿每轉(zhuǎn)擠出量的計算公式為式（4）：

1.2 實驗驗證

為驗證擠出量公式計算正確性，本文以聚乳酸環(huán)保性材料P LA為例進行實驗，實驗分別選4種轉(zhuǎn)速及2種大小擠出頭直徑來進行全因素實驗，具體參數(shù)如表3所示。

表3 實驗參數(shù)

為便于準確計數(shù)，擠出時間設(shè)定為1m in，實驗完成后得到如圖5所示的實驗樣塊，在電子天平上稱量各樣塊的質(zhì)量，并與理論值作對比，得到表4所示實驗結(jié)果表格。

圖5 實驗樣塊

表4 實驗結(jié)果（mm）

通過實驗數(shù)據(jù)觀察得出，不同大小的擠出頭擠出的材料量是相等的，即擠出量與擠出頭大小無關(guān)。理論值與實驗值接近，說明計算公式正確，即材料擠出量與轉(zhuǎn)速及螺桿自身均化段參數(shù)有關(guān)。轉(zhuǎn)速成倍增加時，理論擠出量也成相應倍增加，但實驗值并未成倍增加，實際上擠出量比理論值更大，其原因是轉(zhuǎn)速越高，料筒內(nèi)溫度也越高，溫度越高材料變得越稀，擠出量也越大[7]。

2 轉(zhuǎn)速與進給速度匹配

2.1 理論計算

為將擠出的材料均勻平鋪成型，擠出量隨著進給速度的變化而變化，在螺桿一定的情況下，擠出量的大小與轉(zhuǎn)速及溫度的大小有關(guān)，從表4可看出轉(zhuǎn)速引起的溫度的變化對擠出量影響很小，因此只需研究轉(zhuǎn)速與進給速度匹配關(guān)系即可。

單位時間內(nèi)擠出材料的量與平鋪到模型上的材料的體積是相等的。材料擠出平鋪后，截面為近似矩形，擠出量與平鋪量體積相等即可得到公式如式（5）：

n為轉(zhuǎn)速，單位為r/m in；

f為進給，單位為mm/m in；

a、b為平鋪后層厚及線寬，單位為mm.

因此得出轉(zhuǎn)速與進給匹配關(guān)系為式（6）：

2.2 實驗驗證

以螺桿直徑30 mm，擠出頭直徑4 mm為例，a= 2mm，b=3.5mm，帶入計算公式（6）得出n/f=0.00138，同樣以1m in擠出時間來做實驗，轉(zhuǎn)速設(shè)定為10 r/m in，得出線條長度7 120mm，計算實驗所得轉(zhuǎn)速與進給速度匹配關(guān)系為n實驗/f實驗=0.001 40，與理論值接近，說明轉(zhuǎn)速與進給速度匹配計算公式正確。

由此說明，轉(zhuǎn)速與進給量匹配關(guān)系與擠出頭大小有關(guān)，同一螺桿用不同擠出頭直徑時，轉(zhuǎn)速與進給速度匹配關(guān)系不同。

3 結(jié)論

通過理論計算及實驗驗證，得出以下結(jié)論：

1）螺桿擠出量與螺桿第三段均化段參數(shù)槽寬、槽深及螺旋角有關(guān)。

2）螺桿擠出量與擠出頭直徑大小無關(guān)，與螺桿轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越大，擠出量越大，且擠出量與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系；轉(zhuǎn)速越高溫度越高，溫度越高擠出量越高。

3）轉(zhuǎn)速與進給速度的匹配關(guān)系與擠出頭大小有關(guān)。

［1］張學軍，等.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)［J］.材料工程，2016(02）：122-128.

［2］唐通鳴.基于FDM的3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.化工新型材料，2015（06）：228-230.

［3］董莘.工業(yè)級熔融沉積式3D打印機供料擠出螺桿的研究與設(shè)計［J］.機械工程師，2016（06）：82-85.

［4］王永雙.3D打印工藝螺桿轉(zhuǎn)速和進給速度的最佳匹配關(guān)系［J］.青島大學學報，2014（03）：53-57.

［5］劉迎.常規(guī)三段式注塑螺桿的模擬及優(yōu)化［D］.北京：北京工業(yè)大學，2011.

［6］袁衛(wèi)民.注塑機螺桿強度的分析計算［J］.輕工機械，2012（02）：16-18.

［7］呂柏源.螺桿轉(zhuǎn)速與冷喂料擠出過程的關(guān)系［J］.山東化工學院學報，1984（01）：27-34.

Study on App lication and Design of Extrusion Screw for FDM 3D Printing

YANG Lei，MA Rui，HUANG Bu-dong，XU Yun-long
(Ningxia Kocel Pattern CO.，LTD.，Ningxia Yinchuan 750021，China）

The suitable extrusion device structure，optimal extrusion parameters，and the best relationship between screw speed and the printing feed speed are the keys to reasonable application of fused depositionmodeling（FDM）3D printing technique，which can guarantee the extrusion output，increase the printing efficiency，and allocatematerial extrusion speed according to the feed rate to make sure thematerial uniformly extruded.Therefore，the theoretical calculation and experimental results were compared to conform the parameters and the relationship between rotate speed and extrusion output，and determine the optimal relationship between rotate speed and feed speed.

FDM，extrusion screw，rotate speed，feed speed

TP391.73，TH162

A

1674-6694（2017）03-0008-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.03.003

2017-03-28

楊磊（1988-），男，寧夏同心人，碩士研究生，工程師，主要從事3D打印設(shè)備設(shè)計及制造工藝方面的研究工作。