3.2　熔融沉積成形系統(tǒng)組成

FDM系統(tǒng)主要有供料機(jī)構(gòu)、噴頭、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和工作臺(tái)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(yùn)動(dòng)。在計(jì)算機(jī)控制下，供料系統(tǒng)將可熱塑性絲材送進(jìn)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(tái)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(tái)下降）一截面層的高度，再進(jìn)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(jī)構(gòu)

常用的供料機(jī)構(gòu)采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一對(duì)送進(jìn)輪，靠摩擦力推動(dòng)絲材進(jìn)入液化器和噴嘴。為了實(shí)現(xiàn)供料機(jī)構(gòu)的功能，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力要大于流道和噴嘴的阻力，且絲材要有足夠的軸向強(qiáng)度。普通供料機(jī)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(guò)外部加熱裝置，因而要求較長(zhǎng)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(jī)構(gòu)，包括絲材送進(jìn)、泵送和活塞送進(jìn)。

圖3-3（a）所示為絲材送進(jìn)擠壓方式，成形材料為絲狀熱塑性材料，經(jīng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)送入液化器，并在其中受熱逐漸熔化，先進(jìn)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(jìn)擠壓方式，采用螺旋泵實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)材料的送進(jìn)、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(jìn)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(jiàn)。

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(mǎn)足以下要求。

a.材料能夠在恒溫下連續(xù)穩(wěn)定地?cái)D出。這是FDM對(duì)材料擠出過(guò)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(jiǎn)化控制過(guò)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(xiàng)要求最終體現(xiàn)在熔融材料能無(wú)堵塞地?cái)D出。

b.材料擠出具有良好的開(kāi)關(guān)響應(yīng)特性以保證成形精度。FDM是由X、Y軸的掃描運(yùn)動(dòng)，Z工作平臺(tái)的升降運(yùn)動(dòng)以及材料擠出相配合而完成的。由于掃描運(yùn)動(dòng)不可避免地有啟停過(guò)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(kāi)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(shí)時(shí)調(diào)節(jié)響應(yīng)特性。FDM對(duì)材料擠出系統(tǒng)的基本條件之一就是要求材料擠出運(yùn)動(dòng)能夠同噴頭XY掃描運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)匹配。在掃描運(yùn)動(dòng)起始與停止的加減速段，直線(xiàn)掃描、曲線(xiàn)掃描對(duì)材料的擠出速度要求各不相同，掃描運(yùn)動(dòng)的多變性要求噴頭能夠根據(jù)掃描運(yùn)動(dòng)的變化情況適時(shí)、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(guò)程中，對(duì)材料輸出的實(shí)時(shí)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(dòng)噴頭進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)的方式來(lái)實(shí)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(yùn)動(dòng)慣性并降低對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的要求，也是實(shí)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(jìn)快速成形系統(tǒng)的原動(dòng)力之一。實(shí)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(lái)滿(mǎn)足高速掃描的需要。實(shí)際上高精度直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)系列的運(yùn)動(dòng)速度可以輕松達(dá)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(xì)絲狀從噴嘴擠出。圖3-4所示為絲材在流道中熔融擠出過(guò)程的示意圖。絲材在摩擦輪驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入加熱腔直流道，受到加熱腔的加熱逐步升溫。在溫度達(dá)到絲材物料的軟化點(diǎn)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(chēng)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(xì)直到完全熔融的區(qū)域，稱(chēng)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(mǎn)機(jī)筒的區(qū)域，稱(chēng)為熔融段。理論上，只要絲材以一定的速度送進(jìn)，加料段材料就能夠保持固體時(shí)的物性而充當(dāng)送進(jìn)活塞的作用。圖3-5為FDM 3D打印機(jī)噴頭。

3.2.3　運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

3D打印FDM機(jī)器的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)來(lái)分可以分為I3、MB、并聯(lián)臂、UM、CoreXY等類(lèi)型，每種類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)方式有所不同，穩(wěn)定性與運(yùn)動(dòng)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(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)示意圖，底板平臺(tái)在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下可以沿Y軸做前后運(yùn)動(dòng)；送絲打印頭裝置懸掛在X軸桿上，在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，打印頭可以沿X軸做左右運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)和打印頭的合作就是整個(gè)平臺(tái)面上的平面運(yùn)動(dòng)。在打印機(jī)的兩邊各有兩根豎桿，它是打印頭做上下運(yùn)動(dòng)的軌道，也就是Z軸。把平面運(yùn)動(dòng)與打印頭上下運(yùn)動(dòng)組合起來(lái)，就是XYZ三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。

圖3-7所示為I3結(jié)構(gòu)FDM 3D打印機(jī)。該結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)框架相對(duì)比較簡(jiǎn)單，采用龍門(mén)支架，比較節(jié)省材料，所以相對(duì)而言?xún)r(jià)格也比較便宜（適合初級(jí)入門(mén)），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(jī)，Y方向?yàn)槠脚_(tái)移動(dòng)，由于平臺(tái)重量比較大，打印時(shí)慣性自然就大，增加了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和同步帶的負(fù)荷，會(huì)加快同步帶磨損；同時(shí)打印較快時(shí)，無(wú)法保證打印精度。Z方向雙絲桿帶動(dòng)擠出頭上下移動(dòng)，由于絲桿的精度無(wú)法做到完全一致，長(zhǎng)時(shí)間打印后，就會(huì)出現(xiàn)兩邊不齊平的情況，影響打印效果。機(jī)器占地面積大，平臺(tái)是Y軸方向移動(dòng)，所以需要的面積比較大。一般I3結(jié)構(gòu)的機(jī)器為了壓縮成本，都做得比較簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)電源外置，可能會(huì)帶來(lái)安全隱患。另外，噴頭模塊使用的是單風(fēng)道，只能吹到打印模型的一側(cè)，另一側(cè)無(wú)法及時(shí)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(dú)立的兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)獨(dú)立控制，Z軸由兩根光軸固定，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性好，振動(dòng)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(jī)器內(nèi)部空間利用率較低，相對(duì)于并聯(lián)臂而言稍微好一點(diǎn)。由于擠出頭設(shè)計(jì)的問(wèn)題導(dǎo)致無(wú)法快速散熱（散熱效率不高），比較容易堵頭。采用單風(fēng)道，只能吹到打印模型的一側(cè)，另一側(cè)無(wú)法及時(shí)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(jiǎn)單，使用鋁型材DIY時(shí)，框架大小方便定制，如圖3-9所示；噴頭移動(dòng)靈活，打印時(shí)設(shè)置回抽抬升噴頭可有效減少拉絲，其他結(jié)構(gòu)無(wú)法做到靈活地抬升噴頭；采用遠(yuǎn)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(diǎn)是打印機(jī)內(nèi)部空間利用率很低，機(jī)器越高，空間利用率越低；調(diào)平比較困難。由于它的平臺(tái)是固定的，如果沒(méi)有自動(dòng)調(diào)平，那么只能通過(guò)軟件或者手動(dòng)調(diào)整XYZ三個(gè)方向的偏置參數(shù)來(lái)調(diào)平，比較麻煩；由于采用遠(yuǎn)程送絲，如果打印時(shí)頻繁回抽，氣動(dòng)接頭容易損壞。

（4）UM結(jié)構(gòu)（Ultimaker）

X、Y、Z三軸分別由獨(dú)立的兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)獨(dú)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(dòng)機(jī)和進(jìn)絲電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)組件上，容易增加Y軸負(fù)載，UM結(jié)構(gòu)將打印頭做到了最輕；遠(yuǎn)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(diǎn)是Ultimaker的擠出機(jī)沒(méi)有壓片，換料時(shí)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(jìn)料時(shí)如果對(duì)不準(zhǔn)特氟龍的孔，容易被特氟龍管擋住；控制噴頭移動(dòng)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(yán)重，更換時(shí)，需要拆掉整根光軸，十分麻煩；遠(yuǎn)程送絲，如果打印時(shí)頻繁回抽，氣動(dòng)接頭容易損壞。

（5）CoreXY型

該類(lèi)型打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)與大多數(shù)FDM運(yùn)動(dòng)一樣，在一個(gè)平面和一個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)。如圖3-11所示水平面的X、Y方向運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)聯(lián)動(dòng)，通過(guò)齒形帶牽引噴頭運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)傳送帶看上去是相交的，其實(shí)它們是在兩個(gè)平面上，一個(gè)在另外一個(gè)上面。在X、Y方向移動(dòng)的滑架上安裝了兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，使得滑架的移動(dòng)更加精確而穩(wěn)定，同時(shí)還有兩個(gè)平行的導(dǎo)軌阻尼器以減小運(yùn)動(dòng)沖擊。CoreXY型結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是打印速度快，沒(méi)有X軸電動(dòng)機(jī)一起運(yùn)動(dòng)的負(fù)擔(dān)，可以做得更小巧，打印面積占比更高，如圖3-12所示。