3D打印設備技術的發(fā)展研究國內(nèi)外文獻綜述目前，數(shù)字經(jīng)濟迅速崛起，數(shù)字化制造在全球迅速發(fā)展，3D打印技術、人工智能技術、機器人技術是實現(xiàn)數(shù)字制造的關鍵。由此，3D打印技術被提升到與智能機器人和人工智能同樣的技術水平和戰(zhàn)略高度，不斷在世界范圍內(nèi)受到重視。我國政府也對此技術大力支持高度重視，多次出臺相關政策來促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2015年第一次將此產(chǎn)業(yè)發(fā)展上升到國家戰(zhàn)略層面，對3D產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了整體計劃，逐步建立完整的3D打印產(chǎn)業(yè)體系。國家增材制造創(chuàng)新中心也是國家落實《中國制造2025》而建設的增材領域唯一國家級創(chuàng)新中心。面對著如此廣闊的市場空間，3D打印行業(yè)需要相應設備技術的發(fā)展。多材料3D打印技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3D打印技術從20世紀90年代開始研發(fā)至今，已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展與創(chuàng)新，目前技術較先前已有了飛躍式的發(fā)展，技術近乎成熟，最新的科研成果表明，現(xiàn)在的3D打印技術已能夠在10微米厚度的平面上打印超過600dpi的物體，并可實現(xiàn)24位色彩的彩色打印。3D打印是一種面對材料的制造技術。在各種材料（包括聚合物，金屬，陶瓷，玻璃，和復合材料等）中，普通存在打印材料種類、打印尺度、速度不可兼得的矛盾。目前FDM3D打印還是主要集中在單一線材打印，對多材料3D打印的研究更少[4]。在快速成型設備行業(yè)中，有代表性的設計制造商有美國的3DSystems、Stratasys以及英國的wiiboox、Reprap等。3DSystems公司作為目前國際上最大的3D打印開發(fā)公司，在快速成型設備領域有著主導地位。目前，3Dsystems公司已制造出可實現(xiàn)600萬色色彩表現(xiàn)的全彩3D打印機。多材料3D打印技術作為增材制造業(yè)市場的新寵，發(fā)展速度一日千里，但產(chǎn)業(yè)化程度并不高，多材料3D打印技術研究主要集中在研究所和高校。如美國哈佛大學科學家設計了一種新型可主動混合、快速切換噴嘴的多材料打印頭；德國學者Regenfuss等基于粉末燒結(jié)技術開發(fā)了另外一種多材料3D打印系統(tǒng)，能實現(xiàn)垂直方向材料梯度變化；美國新澤西州羅格斯大學科研人員Brennan等開發(fā)了可噴射4類陶瓷材料的多材料熔融沉淀3D打印系統(tǒng)；美國華盛頓州立大學學者Ban-dyopadhyay等利用激光近凈成形系統(tǒng)制造出了金屬多材料快速成型零件。在國內(nèi)，清華大學、西安交通大學、華中科技大學和南京理工大學也在多材料3D打印技術研發(fā)方面做了大量探索性研究和應用工作。多材料3D打印機以材料、結(jié)構和功能一體化、集成化特點，成為國內(nèi)外眾多科研機構研究的熱點之一。Stratasys的ConnexTM系列打印機和3Dsystems的ProJet系列打印機是多材料3D打印機的典型代表，廣泛應用于概念驗證、產(chǎn)品設計及研發(fā)中。國內(nèi)新興企業(yè)VOXEL8推出了新型的多材料電子打印機“DeveloperKit”，打印材料為導電銀墨和PLA；珠海賽納科技公司推出了Seine10003D打印機，實現(xiàn)了3D打印在工業(yè)領域4通道材料復合全彩色打印，其原理與惠普多射流熔融相似。由多個TE元件組成的分段熱電發(fā)生器可以在大熱梯度上運行，而無需固有的材料轉(zhuǎn)換效率（ZT）損失。然而，盡管理論效率極高，但實際分段TEG的性能仍受到與材料不兼容和傳統(tǒng)制造工藝設計靈活性有限相關的若干挑戰(zhàn)的嚴重影響。在此，YangSeongEun[5]等人開發(fā)了一種通過對含有BixSb2-xTe3的全無機粘性TE油墨的連續(xù)沉積報告組成分割BiSbTe材料的多材料3D打印，通過順序沉積對合成工程BiSbTe材料進行打印。此方法將為以具有成本效益的方式設計高性能TEG鋪平道路。MengyingXie[6]等人將聚偏二氟乙烯薄膜與微結(jié)構干擾層相結(jié)合，研究了一種自供電、靈活的多功能傳感器。干擾層和指體采用多材料3D打印技術制作。UnkovskiyAlexey[7]等人使用多材料3D打印用于臨時面部假體的制造。在打印硬件允許多材料同時打印4噴嘴硅膠。利用這種技術，一個耳廓假體被打印出不同等級的肖氏硬度。這對治療來說有不錯的效果。Soreni-HarariMichal[8]等人提出了一種使用雙光子聚合的3D微尺度多材料制造方法。在微尺度上將各種材料組件集成到3D打印中從而提高小型機器人的功能和復雜性。從而提高小型機器人的功能和復雜性。喬羽[9]公開了一種采用多個噴頭、多種材料以及3D打印技術逐層制作多材料建筑物或大型物體的三維打印成型方法。多材料建筑物的打印過程采取多個打印頭分別輸送多種成型材料、逐層堆積而打印成型；對打印的建筑模型進行打磨、噴涂、布線、去支撐等處理，從而得到含有多種材料的建筑物。此發(fā)明專利實現(xiàn)了多材料建筑物的三維結(jié)構和材料設計與制造一體化，建筑物綜合性能大幅度提升，尤其適用于功能型建筑物的打印成型，在景觀雕塑、假山、家居家具等此類的建筑物或模型的成型領域也有著廣泛的應用前景。黃子帆[10]等發(fā)明了一種3D打印用轉(zhuǎn)輪式多色擠出系統(tǒng)配套的多色3D打印方法，旨在解決現(xiàn)有3D打印技術中多色或多材料打印中，人工成本大，自動化程度低的問題，可以同時備料多種顏色，在轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)下，實現(xiàn)了不同絲材的換料打印，精確程度高，運動更加平滑，原料絲間切換流暢。周雪莉[11]等公開了一種適用于多材料多工藝3D打印方法及所用的打印裝置，做的是激光燒結(jié)3D打印技術在多材料打印上的應用，將不同的粉末材料層層固化成型。綜合國內(nèi)外學者研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，其都對多材料3D打印的發(fā)展應用做出了貢獻。但多材料種類較少，對于固態(tài)的粒料多材料打印和螺桿混合多材料打印研究較少。因此，本課題在固態(tài)顆粒木塑復合多材料螺桿打印方面開展研究。熔融沉積技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀熔融沉積技術即FDM（FusedDepositionModeling）是由美國學者ScottCrump于1988年提出。熔融沉積技術的工作原理是絲材通過噴頭加熱熔融后，被電機嚙合不斷向前推進按切片路徑逐層打印來成型3D打印制件。相較其他打印技術，在打印層數(shù)相同的條件下熔融沉積技術的打印速度快，同時其打印設備及材料成本也較低，工作環(huán)境要求不高。熔融沉積成型技術（FDM）由于其操作便捷、成本低廉等優(yōu)點在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用[12]。但是FDM打印速度慢卻成了其發(fā)展瓶頸，主要集中在模型制作，以桌面機為主。將來將會以指數(shù)型的增長速度逐漸應用在工業(yè)生產(chǎn)領域，搭載數(shù)字經(jīng)濟的順風車，使熔融沉積技術更方便服務人們的生產(chǎn)生活[13]。圖1-1為常規(guī)FDM3D打印機的打印工作流程。吳彥之[14]等人指出熔融沉積成型的噴頭系統(tǒng)是FDM的關鍵，這為本行業(yè)如何優(yōu)化熔融沉積成型噴頭系統(tǒng)是提高FDM的重要方向。VladimirE.Kuznetsov[15]等人研究了融合沉積建模（FDM）的幾何參數(shù)的影響，融合了用于開源桌面3D打印機打印部分強度的細絲制造（FFF）3D打印過程，實驗材料是PLA。這項研究使用一組不同的噴嘴直徑（0.4，0.6和0.8毫米）和一系列層的高度，從機器的最小到最大物理極限。為了評估印刷強度，通過掃描電子顯微鏡掃描樣品來解釋所獲結(jié)果的間結(jié)構評估，對樣品強度有顯著影響。融合沉積技術（FDM）是最常用的3D打印技術[16]。對要求很高的生物醫(yī)學行業(yè)極為有利。該技術已得到廣泛開發(fā)和優(yōu)化，目前在開發(fā)適合3D打印的新材料方面取得了進步，這可能為新的應用打開大門。LarrazaIzaskun[17]等人制備的納米復合燈絲，被用于FDM獲得3D打印件，這表明良好的形狀保真度。聚氨酯和石墨烯絲所展示的特性顯示出可用于生物醫(yī)學應用的潛力。圖1-SEQ圖1-\*ARABIC1打印工作流程Fig.1-SEQFig1-\*ARABIC1PrintworkflowMoradiMahmoud[18]等人研究了實驗性研究填充模式對FDM制造的部件特定機械反應的影響。在制造過程中使用多乳酸（PLA）原料絲。此外，設計并打印了六種類型的填充模式（沉積角度），即全蜂窩、直線、三角形、快速蜂窩、網(wǎng)格和擺動。為了確定制造部件的機械性能，進行了拉伸測試。黃江[19]對FDM熔融沉積成型在數(shù)值模擬方面進行了相應研究，得到了流體在打印噴嘴內(nèi)的壓力場速度場等分布圖，這為后面FDM數(shù)值模擬提供了參考。范彩霞[20]主要對FDM熔融沉積成型在3D打印工藝方面進行了研究，進行了大量打印工藝參數(shù)對比實驗，這對提高打印效果做出了很大貢獻。張秋雨等人[21]也是對FDM熔融沉積成型在3D打印工藝方面進行了研究，主要集中在打印精度方面，包括探究適合的擠出的速度，適宜的噴頭的打印溫度來打印這種材料，加熱板溫度控制多少等這對打印更優(yōu)化提供了方便。通過上面國內(nèi)外專家學者在FDM熔融沉積成型方面的研究不難發(fā)現(xiàn)，主要集中在打印工藝、打印材料和數(shù)值模擬等方面的研究，但是，不難發(fā)現(xiàn)這些研究基本上都是使用傳統(tǒng)的FDM技術研究的，對于使用顆粒料的螺桿擠出式熔融沉積打印多材料3D打印的研究還不多。螺桿擠出數(shù)值模擬技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于物料在螺桿中的流動行為非常復雜，解析法很難進行，數(shù)值模擬的方法就恰到好處。螺桿擠出在塑料機械中比較常見，經(jīng)過前人的諸多摸索，最終確定了螺桿三段理論，即固體輸送段，壓縮段和均化段。聚合物加工可以通過數(shù)值模擬技術來提高螺桿的加工擠出效率，如有限元等輔助CAE手段[22]。如REF_Ref66387380\h圖1-2所示，顆粒料在某螺桿中的流動過程。圖1-SEQ圖1-\*ARABIC2顆粒料螺桿內(nèi)部流動Fig.1-2InternalflowofgranularmaterialscrewTadmor[23]最早提出了用數(shù)值模擬計算方法來計算螺桿擠出的思路。Hieber等[24]也是很早就進行螺桿擠出數(shù)值模擬的前輩先行，而且使用CAE分析手段得到了數(shù)值模擬曲線。ChiruVella等[25]對單頭螺桿擠出的建立了平面模型，使用了有限元模擬粘性流體在螺桿中場圖和設置不同參數(shù)，表達了螺桿的擠出效果。Kung[26]等提出了瞬態(tài)熔融模型，此模型模擬可以解釋穩(wěn)態(tài)熔融模型不能解釋的現(xiàn)象。FeuerbachTim等[27]人面對常見的線材在螺桿擠出的現(xiàn)象，大膽創(chuàng)新設計了直接打印粉末形式的材料，不需要中間的絲材，并且對螺桿輸送特性與材料進行了實驗性研究，并符合其確立的模型。張國才等[28]通過使用有限元分析軟件模擬了在相同溫度下PE材料在不一樣的剪刀式單頭螺桿擠出機的流場剪切過程，從而為螺桿機械結(jié)構優(yōu)化提供了重要的理論參考依據(jù)。李凌豐等[29]主要研究了螺桿擠出過程中，以顆粒材料加入時，建立了一系列的彈性力學方程和模型，研究了顆粒進入螺桿的有限元熔融狀態(tài)的場分布圖。杜佳佳[30-31]使用了CAE分析軟件FLUENT來數(shù)值模擬了木塑復合材料在螺桿中的性能參數(shù)，這為螺桿擠出數(shù)值模擬提供了重要依據(jù)，具有很好的借鑒意義。何昱煜等[32]人也使用了ANSYS來數(shù)值模擬了打印頭在螺桿的輸送下擠出堵塞問題，通過模擬，找到了噴頭堵塞原因，這為噴頭優(yōu)化節(jié)約了大量時間和經(jīng)濟成本。P.A.Moysey等[33]運用了離散單元的方法模擬了單頭螺桿中不同材料的擠出成型。由于材料是顆粒料，又進行了螺桿中材料測試和檢驗。吳超等人[34-36]使用CAE手段對螺桿的靜力學和流體力學進行了相關數(shù)值模擬，研究了螺桿自身參數(shù)等對擠出效果的影響，通過模擬發(fā)現(xiàn)流體的流量大小和擠出速率等具有很大的匹配關系，通過改變螺桿不同的轉(zhuǎn)速和更換不同螺距和直徑的螺桿，可以得到不同的擠出規(guī)律，這為有效預防螺桿擠出頭噴嘴堵塞問題提供了有限參考?；谝陨蠈＜覍W者在螺桿理論研究基礎上，開辟的計算機模擬方法更好的提高了研究效率，也為本課題的研究工作引入很好的方向與基礎。綜上所述，目前國內(nèi)外關于采用多材料進行3D打印的研究還很少，對基于螺桿擠出原理3D打印機結(jié)構設計與研究報道也較少。3D打印技術應用及設備研發(fā)是工業(yè)科技領域的重點研究對象，基于螺桿擠出原理多材料3D打印具有很大的技術潛能和應用前景。因此，本課題開發(fā)一款具有市場應用前景的新型螺桿擠出型多材料3D打印機，此打印機以螺桿擠出為原理，結(jié)合顆粒料易獲得的特點，采用生物降解PLA基木塑復合材料作為打印原材料進行打印設備測試。參考文獻[1] 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