工业级 3D 打印中的材料挤出成型技术：工艺改进与应用拓展

一、引言

二、材料挤出成型技术原理

（一）基本工艺过程

（二）材料在挤出过程中的流动特性

1. 熔体粘度与温度的关系
   材料的熔体粘度是影响挤出过程的关键因素之一。熔体粘度与温度密切相关，一般来说，温度升高，熔体粘度降低，材料更容易挤出。不同的材料有不同的粘度 - 温度曲线，例如，常用的工程塑料 ABS 在 190℃ - 230℃之间熔体粘度逐渐降低，有利于挤出。但温度过高可能导致材料分解或性能劣化，因此需要根据材料特性选择合适的加热温度，以确保材料在良好的流动性下挤出，同时保持材料性能稳定。

2. 压力与挤出速度的关系
   在挤出过程中，打印喷头内的压力与挤出速度存在着一定的关系。当压力增加时，挤出速度通常会加快。然而，过快的挤出速度可能导致材料挤出不均匀、出现断丝或喷头堵塞等问题。这是因为挤出速度过快时，材料在喷头内的流动状态变得不稳定，可能产生紊流或空气夹带现象。因此，需要合理控制喷头内的压力和挤出速度，以保证材料挤出的稳定性。

三、材料挤出成型技术存在的问题

（一）零件精度较低

1. 层厚与表面粗糙度
   材料挤出成型技术由于其分层堆积的原理，不可避免地会产生一定的层厚，这会导致零件表面存在阶梯效应，使表面粗糙度增加。即使采用较小的层厚，也难以完全消除这种影响。此外，喷头挤出丝材的直径波动、材料在堆积过程中的收缩等因素也会影响零件的精度。例如，在打印具有精细曲面的零件时，表面粗糙度问题会更加明显，影响零件的外观和使用性能。

2. 尺寸精度问题
   由于材料在挤出过程中的不均匀性、喷头移动的定位误差以及热收缩等因素，零件的尺寸精度难以达到较高水平。在工业应用中，对于一些对尺寸精度要求严格的零件，如精密机械部件或电子元件外壳，材料挤出成型技术可能无法满足要求。

（二）材料性能受限

1. 材料种类与性能匹配
   虽然材料挤出成型技术可使用的材料种类较多，但对于一些高性能材料，如高温合金、高性能陶瓷等，很难通过这种技术实现有效打印。这是因为这些材料的熔点高、硬度大或加工性能差，在现有的挤出成型设备和工艺条件下无法实现良好的熔化和挤出。此外，即使对于一些常用材料，在挤出过程中也可能因高温、剪切等作用导致材料性能下降。

2. 材料各向异性问题
   在材料挤出成型过程中，由于材料是沿着特定方向堆积的，零件在不同方向上的性能可能存在差异，即材料具有各向异性。例如，在拉伸强度测试中，沿挤出方向的强度可能与垂直方向的强度不同。这种各向异性可能会影响零件在实际使用中的可靠性，尤其是对于承受复杂应力的零件。

四、材料挤出成型技术的工艺改进措施

（一）喷头设计改进

1. 微纳喷头技术
   研发微纳尺度的打印喷头可以提高零件的精度。微纳喷头能够挤出更细的丝材，从而减小层厚和提高表面质量。例如，采用微机电系统（MEMS）技术制造的喷头可以实现几十微米甚至更小的丝材挤出，适用于制造微型零件或对精度要求极高的产品，如微流控芯片、精密传感器等。

2. 多材料喷头与混合喷头
   设计多材料喷头或混合喷头可以拓展材料挤出成型技术的应用范围。多材料喷头可以同时挤出两种或多种不同的材料，实现零件的多功能化或梯度材料结构。例如，在制造具有导电和绝缘功能的电子元件时，可以同时挤出导电材料和绝缘材料。混合喷头则可以在挤出过程中实时混合不同的材料，形成具有特殊性能的新材料，如在打印过程中混合不同比例的聚合物和纤维，提高零件的强度和韧性。

（二）温度与压力控制优化

1. 精确温度控制
   采用更精确的温度控制系统可以提高材料挤出的稳定性和质量。例如，使用高精度的加热元件和温度传感器，对喷头和材料加热区进行分区温度控制。这样可以根据材料在喷头内不同位置的流动需求，精确调整温度，避免局部过热或温度不均匀导致的材料问题。同时，可以通过反馈控制系统，根据材料的实际挤出情况实时调整温度。

2. 智能压力控制
   开发智能压力控制系统，根据材料的种类、挤出速度和喷头状态自动调整喷头内的压力。通过传感器实时监测喷头内的压力变化，当压力偏离设定值时，控制系统自动调整压力供应系统，如调节螺杆转速（对于螺杆式挤出机）或气体压力（对于气动式挤出机），确保挤出速度的稳定和材料的均匀挤出。

（三）路径规划与后处理优化

1. 自适应路径规划
   利用先进的算法进行自适应路径规划，根据零件的几何形状、材料特性和打印要求，动态调整喷头的移动路径。例如，对于具有复杂曲面的零件，可以采用基于曲面曲率的路径规划算法，使喷头在曲面上的移动更加平滑，减少因路径不合理导致的表面粗糙度增加和精度降低问题。同时，可以根据材料的收缩特性，在路径规划中考虑补偿策略，提高零件的尺寸精度。

2. 后处理工艺改进
   加强后处理工艺，以改善零件的精度和性能。对于表面粗糙度问题，可以采用机械打磨、化学抛光等方法进行处理。在处理过程中，需要根据材料的特性选择合适的方法，避免损伤零件。对于材料性能问题，如各向异性，可以通过热处理、机械加工等后处理工艺进行调整。例如，通过热处理可以使材料的晶体结构更加均匀，减少各向异性对零件性能的影响。

五、材料挤出成型技术的应用拓展方向

（一）生物医疗领域

1. 组织工程支架
   材料挤出成型技术可用于制造组织工程支架。通过选择生物相容性好的材料，如聚乳酸（PLA）等，并精确控制支架的孔隙率、孔径大小和连通性，可以为细胞的生长和组织的修复提供良好的环境。利用改进后的工艺，可以制造出更精细、更符合人体生理结构的支架，促进组织工程的发展。

2. 个性化医疗辅助器械
   在个性化医疗辅助器械制造方面，如定制化的假肢、矫形器等，材料挤出成型技术具有很大的优势。根据患者的身体数据，快速制造出符合个体需求的器械，提高患者的舒适度和使用效果。同时，通过工艺改进，可以使器械的性能更好，更耐用。

（二）电子工业领域

1. 柔性电子器件
   随着电子工业的发展，柔性电子器件的需求日益增加。材料挤出成型技术可以用于制造柔性电路板、可穿戴电子设备等。通过使用柔性材料，如热塑性聚氨酯（TPU）等，并结合改进的工艺，可以制造出具有高柔韧性、高导电性的电子器件，满足未来电子设备的发展需求。

2. 电子元件封装
   在电子元件封装领域，材料挤出成型技术可以实现快速、低成本的封装。通过挤出具有良好绝缘性能和热稳定性的材料，对电子元件进行封装，可以提高元件的可靠性和稳定性。同时，利用多材料喷头技术，可以在封装过程中同时实现多种功能，如散热、电磁屏蔽等。

六、结论