3.2　熔融沉積成形系統(tǒng)組成

FDM系統(tǒng)主要有供料機構(gòu)、噴頭、運動系統(tǒng)和工作臺等。噴頭安裝于掃描系統(tǒng)上，可根據(jù)各層截面信息，隨掃描系統(tǒng)做X-Y平面運動。在計算機控制下，供料系統(tǒng)將可熱塑性絲材送進噴頭，加熱器將送至噴頭的絲狀材料加熱至熔融態(tài)，然后被選擇性地涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成截面輪廓，一層截面完成后，噴頭上升（或工作臺下降）一截面層的高度，再進行下一層的涂覆。如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。

3.2.1　供料機構(gòu)

常用的供料機構(gòu)采用直流電動機驅(qū)動一對送進輪，靠摩擦力推動絲材進入液化器和噴嘴。為了實現(xiàn)供料機構(gòu)的功能，電動機驅(qū)動力要大于流道和噴嘴的阻力，且絲材要有足夠的軸向強度。普通供料機構(gòu)依靠摩擦力提供的擠壓力有限，聚合物絲條的加熱完全通過外部加熱裝置，因而要求較長的流道，容易引起噴嘴堵塞。圖3-3為采用不同擠壓方式的供料機構(gòu)，包括絲材送進、泵送和活塞送進。

圖3-3（a）所示為絲材送進擠壓方式，成形材料為絲狀熱塑性材料，經(jīng)驅(qū)動機構(gòu)送入液化器，并在其中受熱逐漸熔化，先進入液化器的材料熔化后受到后部未熔材料絲（起到推壓活塞的作用）的推壓而擠出噴嘴。圖3-3（b）所示為螺旋桿泵送進擠壓方式，采用螺旋泵實現(xiàn)顆粒狀原材料的泵送、加熱和擠出，擠出材料的速度可以由螺旋桿的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。圖3-3（c）所示為活塞缸送進擠壓方式，噴頭的主要部分是一缸體，成形材料在缸內(nèi)受熱熔融，在活塞的壓力作用下擠出噴嘴。可以看出，這幾種方式都能實現(xiàn)材料的送進、熔融和擠壓。在目前成熟的FDM系統(tǒng)中，噴頭按擠出形式主要分為絲材送進擠壓式噴頭和螺旋桿擠壓式噴頭。前者占據(jù)桌面FDM設(shè)備的主流位置，后者在一些大型FDM設(shè)備中較為常見。

3.2.2　噴頭

噴頭是FDM系統(tǒng)的核心部件之一，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著成形件的質(zhì)量。理想的噴頭應(yīng)該滿足以下要求。

a.材料能夠在恒溫下連續(xù)穩(wěn)定地擠出。這是FDM對材料擠出過程的最基本的要求。恒溫是為了保證粘接質(zhì)量，連續(xù)是指材料的輸入和輸出在路徑掃描期間是不間斷的，這樣可以簡化控制過程和降低裝置的復(fù)雜程度；穩(wěn)定包括擠出量穩(wěn)定和擠出材料的幾何尺寸穩(wěn)定兩方面，目的都是為了保證成形精度和質(zhì)量。本項要求最終體現(xiàn)在熔融材料能無堵塞地擠出。

b.材料擠出具有良好的開關(guān)響應(yīng)特性以保證成形精度。FDM是由X、Y軸的掃描運動，Z工作平臺的升降運動以及材料擠出相配合而完成的。由于掃描運動不可避免地有啟停過程，因此需要材料擠出也應(yīng)該具有良好的啟停特性，換言之就是開關(guān)響應(yīng)特性。啟停特性越好，材料輸出精度越高，成形精度也就越高。

c.材料擠出速度具有良好的實時調(diào)節(jié)響應(yīng)特性。FDM對材料擠出系統(tǒng)的基本條件之一就是要求材料擠出運動能夠同噴頭XY掃描運動實時匹配。在掃描運動起始與停止的加減速段，直線掃描、曲線掃描對材料的擠出速度要求各不相同，掃描運動的多變性要求噴頭能夠根據(jù)掃描運動的變化情況適時、精確地調(diào)節(jié)材料的擠出速度。另外，在采用自適應(yīng)分層以及曲面分層技術(shù)的成形過程中，對材料輸出的實時控制要求則更為苛刻。

d.擠出系統(tǒng)的體積和重量需限制在一定范圍內(nèi)。目前，大多數(shù)FDM中均采用XY掃描系統(tǒng)帶動噴頭進行掃描運動的方式來實現(xiàn)材料XY方向的堆積。噴頭系統(tǒng)是XY掃描系統(tǒng)的主要載荷。噴頭系統(tǒng)體積小，可以減小成形空間；重量輕，可以減小運動慣性并降低對運動系統(tǒng)的要求，也是實現(xiàn)高速（高速度和高加速度）掃描的前提。

e.足夠的擠出能力。提高成形效率是不斷改進快速成形系統(tǒng)的原動力之一。實現(xiàn)材料的高速、連續(xù)擠出是提高成形效率的基本前提。目前，大多數(shù)FDM設(shè)備的掃描速度為200～300mm/s，因此，要求噴頭必須有足夠的擠出能力來滿足高速掃描的需要。實際上高精度直線運動系列的運動速度可以輕松達到500mm/s甚至更高，但材料擠出速度是制約FDM速度不斷提高的瓶頸之一。

噴頭的基本功能就是將導(dǎo)入的絲材充分熔化，并以極細絲狀從噴嘴擠出。圖3-4所示為絲材在流道中熔融擠出過程的示意圖。絲材在摩擦輪驅(qū)動下進入加熱腔直流道，受到加熱腔的加熱逐步升溫。在溫度達到絲材物料的軟化點之前，絲材與加熱腔內(nèi)壁之間有一段間隙不變的區(qū)域，稱為加料段。隨著絲材表面溫度升高，物料熔化，形成一段絲材直徑逐漸變細直到完全熔融的區(qū)域，稱為熔化段。在物料被擠出口之前，有一段完全由熔融物料充滿機筒的區(qū)域，稱為熔融段。理論上，只要絲材以一定的速度送進，加料段材料就能夠保持固體時的物性而充當送進活塞的作用。圖3-5為FDM 3D打印機噴頭。

3.2.3　運動系統(tǒng)

3D打印FDM機器的運動系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)來分可以分為I3、MB、并聯(lián)臂、UM、CoreXY等類型，每種類型的驅(qū)動方式和運動方式有所不同，穩(wěn)定性與運動精度也有所差異。

（1）I3型結(jié)構(gòu)

圖3-6為該種FDM 3D打印機的運動系統(tǒng)示意圖，底板平臺在電動機的帶動下可以沿Y軸做前后運動；送絲打印頭裝置懸掛在X軸桿上，在電動機的帶動下，打印頭可以沿X軸做左右運動。平臺和打印頭的合作就是整個平臺面上的平面運動。在打印機的兩邊各有兩根豎桿，它是打印頭做上下運動的軌道，也就是Z軸。把平面運動與打印頭上下運動組合起來，就是XYZ三個方向的運動。

圖3-7所示為I3結(jié)構(gòu)FDM 3D打印機。該結(jié)構(gòu)的3D打印機框架相對比較簡單，采用龍門支架，比較節(jié)省材料，所以相對而言價格也比較便宜（適合初級入門），DIY的成本也比較低。近程送絲，可以打印柔體耗材，例如熱塑性聚氨酯彈性體材料（TPU）等。

該結(jié)構(gòu)的3D打印機，Y方向為平臺移動，由于平臺重量比較大，打印時慣性自然就大，增加了步進電動機和同步帶的負荷，會加快同步帶磨損；同時打印較快時，無法保證打印精度。Z方向雙絲桿帶動擠出頭上下移動，由于絲桿的精度無法做到完全一致，長時間打印后，就會出現(xiàn)兩邊不齊平的情況，影響打印效果。機器占地面積大，平臺是Y軸方向移動，所以需要的面積比較大。一般I3結(jié)構(gòu)的機器為了壓縮成本，都做得比較簡單，開關(guān)電源外置，可能會帶來安全隱患。另外，噴頭模塊使用的是單風道，只能吹到打印模型的一側(cè)，另一側(cè)無法及時冷卻，影響打印質(zhì)量。

（2）MB結(jié)構(gòu)（Makerbot）

X、Y、Z三軸分別由獨立的兩個步進電動機獨立控制，Z軸由兩根光軸固定，平臺運動時穩(wěn)定性好，振動小，打印精度得到保證；外框架為四方形，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；采用近程送絲，可以打印柔體耗材，如圖3-8所示。

由于擠出頭的原因?qū)е聶C器內(nèi)部空間利用率較低，相對于并聯(lián)臂而言稍微好一點。由于擠出頭設(shè)計的問題導(dǎo)致無法快速散熱（散熱效率不高），比較容易堵頭。采用單風道，只能吹到打印模型的一側(cè)，另一側(cè)無法及時冷卻，打印質(zhì)量得不到保證。

（3）并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)

采用并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)占地面積小，框架簡單，使用鋁型材DIY時，框架大小方便定制，如圖3-9所示；噴頭移動靈活，打印時設(shè)置回抽抬升噴頭可有效減少拉絲，其他結(jié)構(gòu)無法做到靈活地抬升噴頭；采用遠程送絲，使用E3D噴頭，重量輕，打印速度比較快；E3D擠出頭散熱性能好，不易堵頭。

缺點是打印機內(nèi)部空間利用率很低，機器越高，空間利用率越低；調(diào)平比較困難。由于它的平臺是固定的，如果沒有自動調(diào)平，那么只能通過軟件或者手動調(diào)整XYZ三個方向的偏置參數(shù)來調(diào)平，比較麻煩；由于采用遠程送絲，如果打印時頻繁回抽，氣動接頭容易損壞。

（4）UM結(jié)構(gòu)（Ultimaker）

X、Y、Z三軸分別由獨立的兩個步進電動機獨立控制，以十字結(jié)構(gòu)控制噴頭的打印穩(wěn)定性，打印精度高， UM結(jié)構(gòu)和MB結(jié)構(gòu)最大的區(qū)別是MB結(jié)構(gòu)X軸電動機和進絲電動機在運動組件上，容易增加Y軸負載，UM結(jié)構(gòu)將打印頭做到了最輕；遠程送絲，噴頭重量輕，打印速度快；在I3、并聯(lián)臂、MB、UM四種結(jié)構(gòu)中，UM結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間利用率是最高的，如圖3-10所示。

缺點是Ultimaker的擠出機沒有壓片，換料時只能用內(nèi)六角調(diào)節(jié)彈簧的壓縮力度，所以導(dǎo)致?lián)Q料比較麻煩，而且進料時如果對不準特氟龍的孔，容易被特氟龍管擋住；控制噴頭移動的X、Y軸及十字軸裝配比較困難；X軸方向的小閉口同步帶如果磨損太嚴重，更換時，需要拆掉整根光軸，十分麻煩；遠程送絲，如果打印時頻繁回抽，氣動接頭容易損壞。

（5）CoreXY型

該類型打印機的運動與大多數(shù)FDM運動一樣，在一個平面和一個方向上運動。如圖3-11所示水平面的X、Y方向運動由兩個步進電動機聯(lián)動，通過齒形帶牽引噴頭運動。兩個傳送帶看上去是相交的，其實它們是在兩個平面上，一個在另外一個上面。在X、Y方向移動的滑架上安裝了兩個步進電動機，使得滑架的移動更加精確而穩(wěn)定，同時還有兩個平行的導(dǎo)軌阻尼器以減小運動沖擊。CoreXY型結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是打印速度快，沒有X軸電動機一起運動的負擔，可以做得更小巧，打印面積占比更高，如圖3-12所示。