多材料3D打印擠出頭結(jié)構(gòu)設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u9577多材料3D打印擠出頭結(jié)構(gòu)設(shè)計案例 127511.1引言 1287471.2普通螺桿設(shè)計 280481.3普通螺桿數(shù)值模擬 6208251.4螺桿對比選擇 1285811.5多材料擠出頭設(shè)計 13213691.5.1Y字型多材料3D打印擠出頭設(shè)計 1365591.5.2L字型多材料3D打印擠出頭設(shè)計 14104561.5.3豎直型多材料3D打印擠出頭設(shè)計 16135971.5.4對比選擇 1714571.6小結(jié) 17引言擠出頭是3D打印機系統(tǒng)的核心部件，主要包括擠出螺桿、料筒、噴嘴等。其中螺桿設(shè)計是擠出頭的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其主要作用是對物料的輸送、壓實、塑化和施壓。因單螺桿相對雙螺桿具有結(jié)構(gòu)簡單，維修方便等特點而被廣泛應(yīng)用。3D打印機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)就是擠出頭，其包括螺桿、料筒、料斗和噴嘴等。螺桿作為擠出頭的擠出元件，主要對打印顆粒料進行傳送、塑化和熔融擠出。打印顆粒料進入螺桿可分為三段：加料段、塑化段（壓縮段）和均化段（計量段）。螺桿的擠出效果因為結(jié)構(gòu)設(shè)計幾何參數(shù)的不同也會有區(qū)別，如長徑比、三段長度、壓縮比等。如今隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，CAE仿真技術(shù)對螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計起到了很好的幫助作用。螺桿和料筒配合的間隙的流體域是熔融料穩(wěn)定擠出的重要條件，擠出頭尺寸和料筒溫度的變化影響擠出頭內(nèi)打印材料的流動性能，最終影響打印產(chǎn)品的精度。通過CAE軟件可以對打印機擠出頭擠出螺桿進行流場仿真分析。普通螺桿設(shè)計與其他成型加工方法相比，螺桿擠出具有構(gòu)造簡單、容易操作等優(yōu)點。作為多材料打印機機械結(jié)構(gòu)的重要組成部分，本文設(shè)計的多材料3D打印擠出頭系統(tǒng)是基于螺桿擠出原理設(shè)計的，螺桿是擠出頭組件的關(guān)鍵組成部件，其擠出結(jié)構(gòu)形式是：粒料在螺桿和料筒間隙受螺桿螺旋擠壓作用擠出成型。所以，螺桿設(shè)計的好壞往往是關(guān)鍵的一環(huán)[50]。圖3-1單頭螺紋的螺桿幾何參數(shù)Fig.3-1Geometricparametersofsinglethreadscrew螺桿和料筒間隙配合旋轉(zhuǎn)從而帶動打印材料沿螺槽前進擠出。如圖3-1所示，是單頭螺紋的螺桿幾何參數(shù)示意圖，其中D為螺桿直徑，Ds為螺桿根徑，φ為螺旋升角，S為螺距，在單頭等距螺紋中，螺距S=導(dǎo)程T，因為T=S*P，P為螺紋頭數(shù)。W為螺棱間垂直距離又叫螺槽法向?qū)挾?，e為螺棱厚度又叫法向螺棱寬度，B為螺棱間軸向距離，δ為螺棱頂部與機筒之間的徑向間隙，H為螺桿根部與機筒內(nèi)表面之間的距離。對螺桿設(shè)計者來說，螺桿可以分為三部分，分別是螺桿尾部無螺紋部分、螺桿有效長度部分和螺桿頭部分。其中，螺桿有效長度分為三段，分別是加料段L1、壓縮段（塑化段）L2和計量段(均化段)L3。螺桿三段長度的確定是很重要的。因為，H為螺桿根部與機筒內(nèi)表面之間的距離，所以，螺槽深度反映了螺桿在軸向長度上的參數(shù)變化。其中，H1為加料段螺槽深度，H3為計量段螺槽深度，H2是壓縮段螺槽深度一般由H1遞減到H3。而且H3螺槽深度越小，料層內(nèi)部就會產(chǎn)生更多的熱量，所以，這里對物料的塑化熔融有幫助。δ為螺棱頂部與機筒之間的徑向間隙，因為本文主要針對的是粘彈性流體PLA，粘度相對水來講大得多，而且本文設(shè)計的是多材料3D打印機，所以此處有時會設(shè)計加入一些填料，比如玻璃纖維、KH550和MAPP等。這樣可能會導(dǎo)致螺桿和料筒的磨損等。因此，綜合上述介紹，本文δ取值為0.15mm。根據(jù)螺桿有效長度三段論可以將螺桿分為漸變型螺桿、突變型螺桿和通用型螺桿。顧名思義，漸變和突變指的是螺桿根徑Ds漸變和突變，通用型螺桿適用于結(jié)晶性和非結(jié)晶性塑料，適用范圍廣。一般情況下，漸變型螺桿的壓縮段較長，而突變型螺桿的壓縮段較短，通用型螺桿的壓縮段長度介于漸變型螺桿的壓縮段和突變型的螺桿的壓縮段之間。本文設(shè)計的三種螺桿除了三段長度區(qū)分外，其余參數(shù)一樣。其中，經(jīng)過前文設(shè)計，H1為2.1mm，H3為1mm，H2是從2.1至1mm漸變。三類普通螺桿具體長度分配值如表3-1所示。首先，確定螺桿直徑D。因為我國擠出機螺桿標準直徑有：25，30，45，60，75，80，90mm等。但是本文研究的是基于螺桿擠出原理多材料3D打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計，螺桿對打印機來說，是一個精密擠出的元件，查閱文獻50，此處螺桿直徑D定為25mm。其次，確定螺桿長徑比。為了更好的提高螺桿擠出量，人們通常會通過提高普通螺桿的長徑比來提高螺桿產(chǎn)量。但因為考慮打印機的成型空間和機身框架高度，結(jié)合常規(guī)長徑比20~30的范圍內(nèi)，因為此處打印機要保證良好的打印精度，由于長徑比過長，可能會使一些容易分解的易于揮發(fā)的熱穩(wěn)定性差的材料變質(zhì)，在螺桿內(nèi)停留時間過長。也會導(dǎo)致螺桿彎曲或者和料筒同心度偏離。所以，長徑比不能選的過大，結(jié)合文獻50，因此長徑比定為20。故螺桿有效長度L為500mm。最后，確定螺桿分段。普通螺桿本文共設(shè)計了3種，其中已知螺桿有效長度就可以根據(jù)表3-1算出三種普通螺桿的具體三段長度。表3-1普通螺桿三段長度分配Table3-1Threesectionsofnormalscrewlengthdistribution序號類型參數(shù)取值比例1漸變型加料段L1：（0.25-0.30）L0.3壓縮段L2：（0.50）L0.5計量段L3：（0.15-0.20）L0.22突變型加料段L1：（0.65-0.70）L0.7壓縮段L2：（0.05-0.15）L0.1計量段L3：（0.20-0.25）L0.23通用型加料段L1：（0.30-0.45）L0.35壓縮段L2：（0.20-0.40）L0.4計量段L3：（0.20-0.30）L0.25要完成一個螺桿的設(shè)計工作，僅有三段長度是無法確定的。所以，還應(yīng)該設(shè)計螺桿的其他幾何參數(shù)。1）計量段螺槽深度H3因H3是系數(shù)K與螺桿直徑D的乘積，K=0.02~0.07，故計量段螺槽深度H3為1mm。2）幾何壓縮比結(jié)合打印顆粒材料，幾何壓縮比取值為2。因，式中為幾何壓縮比，D為螺桿直徑，H1為加料段槽深（mm），H3為計量段槽深（mm）。故計算得螺桿加料段螺槽深度H1為2.1mm。3）螺旋升角φ對于單頭螺紋來說，螺距S、螺旋升角φ和螺桿直徑D滿足S=πDtanφ，此處螺距S大小等于螺桿直徑D，所以，螺旋升角φ確定為17°42′。4）螺棱寬度e一般為（0.08~0.12）D，故此處取值2mm。5）螺桿頭部形狀根據(jù)打印材料的熱穩(wěn)定性確定為錐形。因此，根據(jù)上述確定的幾何參數(shù)，設(shè)計的三種螺桿見表3-2和圖3-2。因為熱塑性塑料分為結(jié)晶型和無定型兩大類。而本文用于實驗驗證的打印材料選用生物可降解材料PLA基材料，PLA屬于結(jié)晶型塑料，由于結(jié)晶型塑料有固定熔點，當其溫度沒有達到熔點時，體積變化很小，而當溫度達到其熔點時，它便迅速熔融，體積迅速減少，所以對于設(shè)計的加工PLA的螺桿壓縮段L2比較短，又因為考慮到現(xiàn)實情況，壓縮段太短的話，結(jié)晶型塑料不一定在此可以大部分熔化，故此處L2確定為200mm。此處螺桿選擇設(shè)計通用型螺桿。表3-2普通螺桿長度比Table3-2Commonscrewlengthratioandattacheddrawing序號類型按比例長度取值附圖L1(mm)L2(mm)L3(mm)1漸變型150250100圖3-2a)2突變型35050100圖3-2b)3通用型175200125圖3-2c)a）漸變螺桿b）突變螺桿c）通用螺桿圖3-2三種普通螺桿示意圖Fig.3-2Schematicdiagramofthreecommonscrew加料段L1的作用是產(chǎn)生足夠的穩(wěn)定的壓力，保證穩(wěn)定的固體輸送并且將分界面上的塑料預(yù)熱到熔融所需要的溫度。因此，加料段也應(yīng)該有足夠的長度，故L1確定為175mm。一般在可能的情況下，計量段L3越長，對改善混合均勻和提高螺桿產(chǎn)量都有很大的幫助，所以，此處螺桿計量段L3確定為125mm。本文設(shè)計的通用螺桿幾何參數(shù)如表3-3和表3-4所示。示意圖如圖3-2c）所示。表3-3通用螺桿參數(shù)Table3-3Generalscrewparameters加料段L1壓縮段L2計量段L3螺桿直徑D長徑比500mm175mm200mm125mm25mm20表3-4通用螺桿參數(shù)Table3-4Generalscrewparameters壓縮比計量段螺槽深度H3加料段螺槽深度H1螺旋升角螺棱寬度e螺距S21mm2.1mm17°42′2mm25mm作為螺桿的材料必須具備耐高溫耐磨損耐腐蝕高強度等特性，同時還應(yīng)具有切削性能好熱處理后殘余應(yīng)力小熱變形小等特點。因此，螺桿和料筒選擇同種材料38CrMoAl，如表3-5是38CrMoA1A的性能參數(shù)。設(shè)計的噴嘴直徑與市場上產(chǎn)品一樣為0.4mm，材料是優(yōu)質(zhì)黃銅。表3-538CrMoA1A性能參數(shù)Table3-5Performanceparametersof38CrMoA1A性能硬度HB抗拉強度σ屈服點σ彎曲極限σ扭轉(zhuǎn)極限τ38CrMoA1A2291000MPa850MPa495MPa270MPa料筒外圍加熱裝置是熱流道彈簧加熱圈，選擇3段加熱，使料筒內(nèi)的顆粒料加熱熔融。螺桿的動力來自以步進電機為核心的驅(qū)動裝置。通過前文2.4.2設(shè)計計算，所以選用57BYG250H的步進電機和TB6600驅(qū)動器。普通螺桿數(shù)值模擬擠出頭組件包括擠出螺桿、料筒、黃銅噴嘴、加熱圈、進料料斗、驅(qū)動電機和聯(lián)軸器等[51]。整個擠出頭組件中，螺桿設(shè)計的好壞決定了打印機擠出系統(tǒng)的優(yōu)劣，所以，有必要對打印機擠出螺桿進行模擬，判斷是否擠出穩(wěn)定均勻，符合設(shè)計要求。不同種類的打印材料，比如PLA或者ABS等熱塑性材料，他們的比熱容、導(dǎo)熱性、粘度和密度都有差異，所以，本文針對PLA粒料進入前文設(shè)計的三種普通螺桿進行模擬分析，判斷設(shè)計的普通螺桿是否合格，并選出最優(yōu)的一種螺桿。本文設(shè)計的三種螺桿除了三段長度區(qū)分外，其余參數(shù)相同。其中，經(jīng)過前文設(shè)計，H1為2.1mm，H3為1mm，H2是從2.1至1mm漸變的。我們知道螺桿擠出原理是螺桿螺棱之間的液體黏附于螺桿和料筒中，螺桿相對于料筒轉(zhuǎn)動，拖動液體沿著螺紋形成的螺槽運動。顆粒料進入螺桿和料筒之間，電機帶動單頭螺桿擠出絲材成型，完成打印任務(wù)。為保證螺桿可以對打印材料均勻定壓定量穩(wěn)定地擠出，所以，此處對螺桿內(nèi)部擠出的速度場和壓力場進行模擬。設(shè)定物料在螺桿中擠出的方向為Z軸的正方向，料筒入口反方向規(guī)定為Y軸的正方向，Z軸與X軸和Y軸兩兩垂直。設(shè)定螺桿料筒噴嘴裝配體的入口、出口和壁面條件。（1）螺桿模型建立及網(wǎng)格劃分，螺桿的模擬模型如圖3-3所示，流體域如圖3-4所示。（2）定義材料參數(shù)，選取計算模型，黏度設(shè)定為2000。PLA密度是1260kg/m3，比熱容是2130j/（kg·k）。（3）設(shè)置邊界條件，入口流速度測得為0.01m/s。（4）定義迭代方法，定義為：速度線性，連續(xù)性。壁面出口入口壁面出口入口圖3-3螺桿料筒噴嘴配合模型Fig.3-3Screwcylindernozzlematchingmodel圖3-4流體域Fig.3-4Thefluiddomain1）通用型螺桿流場模擬設(shè)定初始為室溫26.8攝氏度，熔體進入擠出頭流道時設(shè)為170攝氏度。因為三段設(shè)計中，H1為2.1mm，H3為1mm，H2是從2.1至1mm漸變的。由理論可知，計量段H3越小，在相同的螺桿轉(zhuǎn)速下剪切速率越大，所以由圖3-5a）可以看到，整體來看，速度從入口到出口擠出速度呈增長的趨勢。如圖局部云圖3-5b）所示，由擠出螺桿速度云圖知流體最大速度是2.905m/s，最大速度位于出口位置如圖3-5b）所示。Y-Z平面流體域整體速度云圖b)Y-Z平面流體域出口速度局部放大云圖c)Z=300mm截面速度云圖d)Y-Z平面流體域速度放大云圖圖3-5擠出螺桿速度云圖Fig.3-5Extrusionscrewvelocitynephogram如圖3-5c）所示,在截面300mm處局部放大可以看到，位于流體域的中間部速度大，流體域兩側(cè)位置速度小。如圖3-5d）所示,單個螺槽速度分布比較均勻，螺桿擠出速度均勻穩(wěn)定，速度變化符合流體實際工況。通過觀察顆粒料在熔融狀態(tài)下的流動性，可以看到此處流體域具有良好的流動性可使材料成型過程流暢，若流動性太差，會造成材料擠出不暢或因卡頓而斷裂，然而過高的流動性又會造成垂絲，出現(xiàn)成型缺陷的問題。a）Y-Z平面流體域整體壓力云圖b）Y-Z平面流體域出口壓力局部放大云圖c)Y-Z平面流體域壓力放大圖圖3-6擠出螺桿壓力云圖Fig.3-6Pressurenephogram隨著螺桿的轉(zhuǎn)動其壓力場不斷發(fā)生變化，整體流體域壓力云圖如圖3-6a)和圖3-6c)所示，從入口到出口，隨著螺槽深度的變小壓力是逐漸變小的過程。由圖3-6b)出口局部放大圖可以看出，出口壓力差較小，在出口處和漸變處的壓降最為明顯，主要是由于通道內(nèi)部直徑突然變小，流動阻力增大，使得壓力發(fā)生驟降。壓力云圖呈現(xiàn)穩(wěn)定擠出的特點，無突變。故此螺桿壓力場分布是合理的。由于擠壓過程中熔融體從料筒入口至噴嘴出口的溫度幾乎保持一致，熱量損失很少，能夠保證熔融體溫度的穩(wěn)定性，所以溫度場的溫度基本保持不變，可以穩(wěn)定擠出。2）漸變型螺桿流場模擬如圖3-7所示，整體來看，速度從入口到出口擠出是增大的趨勢。流體最大速度是1.211m/s，最大速度位于流體域的出口處，最小速度位于流體域兩側(cè)位置。由于流體域兩側(cè)移動速度稍小，物料在螺桿中移動時間久，擠出力可能不夠，可能會影響擠出效率。a)Y-Z平面流體域整體速度云圖b)Y-Z平面流體域出口速度局部放大云圖圖3-7Y-Z平面流體域速度Fig.3-7Extrusionscrewvelocitynephogram整體流體域壓力云圖如圖3-8a）所示，從入口到出口，壓力是逐漸變小的過程。如圖3-8b）所示，是整體壓力云圖的局部放大圖，可知出口壓力最小。如圖3-8c）所示，從Z=300mm截面即XY截面壓力便會出現(xiàn)不均勻的云圖截面，可能是因為漸變型螺桿的壓縮段過于長，所以壓力XY截面呈現(xiàn)環(huán)形分布不均的現(xiàn)象。a）Y-Z平面流體域整體壓力云圖b）Y-Z平面流體域出口壓力局部放大云圖c)Z=300mm截面壓力云圖圖3-8擠出螺桿壓力云圖Fig.3-8Pressurenephogram3）突變型螺桿流場模擬突變型擠出螺桿速度云圖，如圖3-9a）所示，流體最大速度是0.6294m/s，最大速度位于流體域的出口處，最小速度位于流體域兩側(cè)位置。整體來看，速度從入口到出口擠出是增大的趨勢。局部云圖3-9b）顯示。如圖3-9c）所示螺桿擠出速度不均勻不穩(wěn)定，不太符合流體實際工況。a)Y-Z平面流體域整體速度云圖b)Y-Z平面流體域出口速度局部放大云圖c)Z=300mm截面速度圖3-9擠出螺桿速度云圖Fig.3-9Extrusionscrewvelocitynephograma)Y-Z平面流體域整體壓力云圖b)Y-Z平面流體域出口速度局部放大云圖c)Z=300mm截面壓力云圖圖3-10擠出螺桿壓力云圖Fig.3-10Pressurenephogram整體流體域壓力云圖如圖3-10a）所示，從入口到出口，壓力是逐漸變小的過程，壓力云圖呈現(xiàn)穩(wěn)定擠出的特點，無突變。故此螺桿壓力場分布是合理的。如圖3-10b）所示，是該螺桿壓力場的流體域出口處壓力云圖局部放大圖，可以看到出口壓力最小。如圖3-10c）所示，是Z=300mm截面壓力云圖，可以看出壓力分布不均勻。綜上對比本文設(shè)計的三種普通螺桿，發(fā)現(xiàn)對PLA粒料在螺桿中擠出來說，三種螺桿所在的流體域模擬結(jié)果類似，但是通過對比速度場和壓力場云圖發(fā)現(xiàn)，通用型的螺桿設(shè)計的最合理。首先，從整體速度云圖對比來說，通用型的出口速度最大為2.905m/s。且其壓力場也具有穩(wěn)定無突變不均勻的分布場；其次，因為漸變型螺桿的壓縮段過于長，導(dǎo)致壓力XY截面便會出現(xiàn)不均勻的云圖截面；最后，由突變型螺桿由速度場又可以看出，因為塑化段距離過短，會導(dǎo)致PLA顆粒料熔融不充分就進入了計量段，所以就會有速度場環(huán)形截面分布不均勻的現(xiàn)象。所以，通用型螺桿符合PLA結(jié)晶型粒料的加工特性，模擬表明，可以取得滿意的擠出壓力和速度。螺桿對比選擇螺桿和料筒的組合工作質(zhì)量，對物料的塑化、制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率都有重要影響。螺桿一般情況下可分為加料段、壓縮段、均化段。本文設(shè)計的三種螺桿都是同一系列的不同種類的螺桿。不同的螺桿三段所占的比值不一樣，三段螺槽深度都是H1為2.1mm，H3為1mm，H2是從2.1至1mm漸變的。針對設(shè)計的實際需求，本文對漸變型螺桿、突變型螺桿和通用型螺桿做出對比選擇。下面是具體說明：（1）打印基體材料。本文的打印材料選擇的是以PLA顆粒料為打印基體材料，同時添加一些助劑填料。由于PLA是結(jié)晶型塑料，是可降解型塑料，其對熱比較敏感，容易熱分解，所以，在設(shè)計螺桿的時候，就應(yīng)該注意下壓縮段的長度，不能過長。因此，結(jié)合打印基體材料的特點，本文選擇通用型螺桿來擠出。（2）壓縮段長度。壓縮段負責塑料的混煉、壓縮與加壓排氣，通過此段的原料幾乎全部熔解，但不一定會均勻混合。在此區(qū)域，塑料逐漸熔融，螺槽體積必須相應(yīng)下降，以對應(yīng)塑料幾何體積的下降，否則料壓不實，傳熱慢，排氣不良。通用型的螺桿設(shè)計的最合理。因為，漸變型螺桿的壓縮段過于長，導(dǎo)致擠出速度場雖然可以擠出，但是速度過小，物料在螺桿中移動時間久，擠出力可能不夠，影響擠出效率，所以壓力XY截面便會出現(xiàn)不均勻的云圖截面；突變型螺桿由壓力場又可以看出，因為塑化段距離過短，會導(dǎo)致PLA顆粒料熔融不充分就進入了計量段，這樣擠出的打印件質(zhì)量不高。所以，通用型螺桿符合PLA結(jié)晶型粒料的加工特性，模擬表明，可以取得滿意的擠出模擬效果。（3）3D打印。本文設(shè)計的螺桿主要用于多材料3D打印機的擠出部件上，為了換料便捷，原材料來源廣泛快捷，本文取代傳統(tǒng)3D打印使用規(guī)則的線材，此處使用圓柱顆粒料PLA及其添加劑作為打印原材料進行3D打印擠出，原理上使用螺桿擠出的原理，因為用于3D打印這種精確擠出的設(shè)備，所以本文結(jié)合打印原材料和打印效率與質(zhì)量的因素，選擇通用型普通螺桿作為本文的螺桿選型。（4）驅(qū)動裝置帶動螺桿旋轉(zhuǎn)將物料沿螺槽向前輸送，在螺桿剪切熱和機筒加熱等作用下固體顆粒物料很快塑化熔融，轉(zhuǎn)變成均勻的粘流態(tài)并具有良好的可塑性，存貯在螺桿機筒前端的計量室內(nèi)，同時螺桿在熔體壓力的反作用力下邊旋轉(zhuǎn)邊向后退，又把這一過程稱為塑化計量。塑化過程直接影響制品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和能耗水平，其性能取決于螺桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計選擇是否合理。因此，研究塑化過程的機理及其影響因素，完善螺桿塑化性能評價體系，以及選取最優(yōu)螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)，成為擠出成型技術(shù)的研究方向。此處對塑化段同一位置的XY圓截面的數(shù)值模擬對比發(fā)現(xiàn)通用型普通螺桿更符合平穩(wěn)擠出無突變的特點。因此，對于3.2設(shè)計的三種普通螺桿，結(jié)合本文的實際使用需求和流場模擬，接下來選擇通用型普通螺桿進行下面多材料3D打印擠出頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計。多材料擠出頭設(shè)計Y字型多材料3D打印擠出頭設(shè)計擠出系統(tǒng)是多材料3D打印機的核心，它將影響整個打印機的結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文設(shè)計的Y字型多材料3D打印擠出頭系統(tǒng)包括步進電機、電機支架、固定板、混合裝置、左右兩個進料機構(gòu)、擠出噴嘴等。其中左右兩個進料機構(gòu)包括螺桿、料筒、料筒外圍加熱圈、進料料斗等。Y字型多材料3D打印擠出頭結(jié)構(gòu)模型圖如圖3-11所示。圖3-11Y字型多材料擠出頭Fig.3-11Y-shapedscrewextrusionhead步進電機通過電機支架固定在固定板上，聯(lián)軸器連接電機輸出軸和擠出螺桿軸，螺桿和料筒同軸裝配，螺桿一端穿過料筒的密封端與步進電機的輸出端連接；料斗固定在料筒上，料斗出料口與料筒內(nèi)部連通；料筒外壁上設(shè)置有加熱圈；左右兩個進料機構(gòu)結(jié)構(gòu)相同；螺旋扇葉用于對混合腔內(nèi)的物料進行攪拌混合；混合腔內(nèi)設(shè)置也設(shè)計了加熱元件，可以避免熔融的物料在混合過程中固化，能夠使物料更好的保持熔融狀態(tài)?；旌锨坏撞吭O(shè)置有噴嘴。本文設(shè)計的Y字型多材料3D打印擠出頭，設(shè)置兩個進料機構(gòu)、一個混合腔和攪拌機構(gòu)，使用時，可以將兩種不同材質(zhì)的顆粒原料分別加入到兩個進料機構(gòu)，在進料機構(gòu)內(nèi)加熱熔化，然后兩種材料的熔融物匯入混合腔，在混合腔內(nèi)攪拌機構(gòu)的作用下，混合均勻，從噴嘴擠出用于打印。本文設(shè)計的Y字型多材料3D打印擠出頭能夠打印兩種材料混合的制件，如一種主要材料一種改性材料，或打印兩種不同功能的材料，使得打印制件的范圍更廣泛，打印出的產(chǎn)品使用功能更優(yōu)更能夠滿足人們的需求。另一方面，本裝置允許直接投入顆粒料，不需要特意采用線材，因此省掉制備線材的工序，節(jié)約成本，簡化工序。Y字型多材料3D打印擠出頭的工作過程：開始工作前，由上料機將熱塑性顆粒料放進料斗，進入料斗的顆粒料在自重的作用下，進入擠出機料筒中，并且進入擠出螺桿的螺槽部位。通過調(diào)節(jié)步進電機轉(zhuǎn)速，電機控制螺桿轉(zhuǎn)速，在電機驅(qū)動的螺旋擠壓力下，多材料顆粒料沿螺槽向下運動，再通過螺桿轉(zhuǎn)動輸送打印材料，顆粒料通過料筒外周的加熱圈和物料剪切的加熱作用而塑化成熔融狀，兩種材料的熔融物匯入混合腔，在混合腔內(nèi)攪拌機構(gòu)的作用下，混合均勻，從噴嘴擠出用于打印。L字型多材料3D打印擠出頭設(shè)計本文設(shè)計的L字型多材料3D打印擠出頭包括步進電機、螺桿、料筒、料斗、噴頭、料筒后蓋、加熱元件等。該擠出頭通過料筒進料且使用顆粒狀塑料原料，與Y字型螺桿擠出頭的不同處在于本擠出頭的材料有主次區(qū)別，豎直料筒的容量較大加入制件的主要原料，水平料筒的料筒加入為滿足制件的關(guān)鍵部位性能要求的次要原料。L字型多材料3D打印擠出頭結(jié)構(gòu)三維建模如圖3-12所示。圖3-12L字型多材料擠出頭Fig.3-12L-shapedverticalscrewextrusionhead本文設(shè)計的L字型多材料3D打印擠出頭包括豎直料筒和水平料筒，水平料筒的一端與豎直料筒的一端連接且連通；豎直料筒的一端設(shè)置有噴頭，噴頭與豎直料筒的內(nèi)腔連通；豎直料筒和水平料筒內(nèi)分別設(shè)置有螺桿，料筒對應(yīng)的螺桿一端連接有電機，電機用于驅(qū)動與其連接的螺桿在料筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)；料筒上分別設(shè)置有加熱元件。豎直料筒和水平料筒對應(yīng)的螺桿均為通用型普通螺桿。料筒側(cè)壁上設(shè)置有料斗，料斗與對應(yīng)的料筒連通。通過料斗，便于向料筒內(nèi)添加材料。料筒上分別設(shè)置有溫度測量元件，溫度測量元件伸進其對應(yīng)的料筒內(nèi)腔，能夠?qū)崟r監(jiān)測料筒內(nèi)的溫度，變化與精準控制加熱元件的加熱溫度。料筒上靠近電機的一端分別有可拆卸連接料筒密封蓋，料筒密封蓋能夠有效防止雜質(zhì)進入料筒進而影響打印產(chǎn)品的性能，且采用可拆卸連接，便于清理料筒中的殘余材料。螺桿穿過其對應(yīng)的料筒密封蓋后與電機連接。螺桿靠近其對應(yīng)電機的一端開設(shè)有盲孔，驅(qū)動電機的輸出軸伸進盲孔后通過緊定螺釘固定，如果需要更換螺桿或電機時，只需要松開緊定螺釘便可更換，便于操作且節(jié)約成本。豎直料筒的側(cè)壁上一體連接有與豎直料筒的內(nèi)腔連通的連接筒，水平料筒的一端與連接筒連接且連通。L字型多材料3D打印擠出頭裝置的工作過程：開始工作前，由上料機將主要顆粒原料放進豎直料筒的料斗，進入料斗的顆粒料在自重的作用下，進入擠出機料筒中，并且進入擠出螺桿的螺槽部位。通過驅(qū)動裝置驅(qū)動螺桿在料筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)，螺槽內(nèi)的材料與料筒內(nèi)壁產(chǎn)生擠壓并沿著螺旋槽向噴嘴所在的方向移動，通過加熱元件的加熱作用和剪切熱，豎直料筒和水平料筒中的材料被加熱熔化，直到混合區(qū)域從噴嘴擠出打印熔融物料。豎直型多材料3D打印擠出頭設(shè)計豎直型多材料3D打印擠出頭系統(tǒng)設(shè)計如圖3-13所示，包括兩套擠出頭組件。其中，擠出頭組件包括送料料斗、螺桿、料筒、噴嘴、溫度控制裝置、減速裝置、步進電機和風扇等。該種擠出頭的打印材料可以是不同種顆粒材料，以滿足制件的性能強度等要求，雙擠出頭并列排列。圖3-13豎直型多材料擠出頭Fig.3-13Verticalmulti-materialextruderhe