3D打印（增材制造）是1种快速成型技术，其成型过程是根据计算机绘制的三维模型，选用陶瓷、粉末金属和塑料等易加工材料，经喷嘴处挤出后在打印平台上逐层叠加，得到所需要的产品[1]。熔融沉积成型(FDM)具有设备简单、加工成本低等优点，成为当下应用较为广泛的3D打印技术之一。然而，目前多使用非结晶或结晶能力较弱的材料作为FDM加工的原料，常见的材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和聚乳酸(PLA)。ABS和PLA材料虽然在FDM工艺中被广泛应用，但其性能不能满足FDM对材料的某些要求，不利于技术推广。聚丙烯(PP)是1种优质的热塑性合成树脂，外观呈无色半透明状态，具有质量轻[2]、力学性能良好、易于加工的特性，被广泛应用于食品包装、医疗器材、建筑、汽车零部件等各行业。对于PP在FDM 3D打印技术上的应用，国内外学者进行诸多研究。车璇等[3]将3种荧光配合物与PP进行熔融共混，利用双螺杆挤出机制备出3种PP/荧光配合物复合材料，提高了PP的力学性能；并通过FDM工艺对复合材料进行打印，得到了强度较高的打印制件。张帅等[4]通过改变螺杆和料筒的螺槽的断面形状，设计1种螺棱断面形状为梯形的螺杆与料筒的组合，能够有效提高输送物料的稳定性及传输效率。刘诗怡[5]设计并制造出粒料3D打印机，实现了结晶型PP粒料的FDM 3D打印，丰富了粒料3D打印机在面对结晶型材料收缩翘曲严重时的应对措施，使打印制件获得更好的表面品质。Vidakis等[6]将TiO2纳米颗粒作为纳米材料以提高PP的力学性能，将得到的PP/TiO2纳米复合材料应用于FDM 3D打印技术，能够有效解决FDM 3D打印技术选材受限问题。Arrigo等[7]将原生聚丙烯/再生聚丙烯(PP/rPP)共混物在双螺杆挤出机中熔融复合，有效提高了3D打印样品的力学性能，并为PP增材制造的回收使用提供参考。以往研究大部分集中于PP的力学性能，对于PP在传统的FDM技术中面临的关键性问题研究不足。本实验设计1种新型的单螺杆挤出式3D打印机喷头。在研究单螺杆挤出原理的基础上，提出在螺杆的计量段适当添加剪切元件。用POLYFLOW对设计的螺杆进行流体仿真分析，以PP为研究对象，并对其挤出过程中压力、速度和剪切速率进行了数值模拟。该方案对高分子聚合物的平稳挤出成型有一定的参考意义。1单螺杆挤出成型原理螺杆挤出设备对不同的材料表现出较强的兼容性，因此具有广泛的应用范围。螺杆挤出设备已成为塑料工业生产的基础设备。螺杆挤出设备通常包括有单螺杆挤出机、双螺杆挤出机以及多螺杆挤出机。单螺杆挤出机的结构简单，具有成本低廉、可靠性高、易于操作、挤出相对平稳等优点。在单螺杆挤出机中，固体加料段和熔体段采用不同的输送机理。固体加料段采用摩擦输送机理，而熔体段采用摩擦和黏性拖曳输送机理[8]。针对聚合物的挤出加工，单螺杆挤出机的结构更加简单，其技术发展相较双螺杆以及多螺杆更加成熟，能够更好地应用于FDM 3D打印技术。螺杆是挤出机的核心部件，在熔融挤出成型过程起输送、塑化、混合和挤出熔融物料等作用。螺杆主要是由螺杆头部、螺杆主体和螺杆尾部等3部分组成。图1为普通三段式螺杆示意图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.019.F001图1普通三段式螺杆Fig.1A normal three-stage screw从图1可以看出，一般将普通单螺杆分为加料段、压缩段和计量段。在加料段，物料受到转动螺杆的挤压和传送，在与机筒内表面、螺杆表面之间的摩擦力综合作用下进入下一阶段，此时物料主要以固体形式存在。在压缩段，物料因为外部加热和螺杆内部剪切、摩擦的共同作用，逐渐被塑化成熔融态，并且在此过程中被进一步压实。在计量段，物料被进一步塑化和均匀化，物料在这一段完全熔融，经过充分压缩、混合，稳定地从喷嘴挤出。图2为单螺杆挤出机的挤出过程。从图2可以看出，单螺杆挤出机工作过程为：塑料颗粒由漏斗进入加料段时，螺杆受电机驱动旋转，从而推动物料沿着螺杆轴运动，在此过程中受外部加热装置和内部摩擦的影响，物料逐步变软、熔融；当物料进入压缩段后，被进一步压缩、密实，在螺杆的搅拌作用下，可以将熔融态的物料充分混合；最终黏流态的物料进入计量段，受到螺杆的压缩作用，在螺杆的推动下被输送至喷嘴内，实现挤出成型[9]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.019.F002图2单螺杆挤出机的挤出过程Fig.2Extrusion process of single screw extruder2剪切螺杆及3D打印机喷头设计2.1螺杆材料的选择螺杆材料的选取直接影响螺杆的导热性能与挤压性能。螺杆式3D打印机喷头在工作的过程中，物料受到螺杆的反复挤压，并且由于外部的温度较高，物料在螺杆的剪切作用下逐渐变为熔融态。为保证熔融态的物料从喷嘴处稳定地挤出，螺杆的材料必须具有耐磨损、耐高温、高强度等特点。常用于生产各种小型氮化零件的38CrMoAlA钢，经过热处理后具有尺寸精确、强度较高的特点。38CrMoAlA钢作为1种渗氮专用钢，该材料的疲劳强度和耐磨性较高[10]，在螺杆的生产制造上具有明显优势。38CrMoAlA钢的物性参数：密度为7 650 kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量为212 GPa，屈服强度为835 MPa，抗拉强度为980 MPa。2.2剪切螺杆设计与分析螺杆工作时结构的变化将对物料的挤出产生较大的影响，进而影响制件的打印质量。对于普通的螺杆，通过提高其转速可提高挤出量。但提高螺杆转速的同时，未熔物进入计量段增多，使得物料在进入压缩段前不能充分混合，导致物料熔融均化程度降低[11]。因此，需要调整螺杆结构来改善物料熔融均化的程度。由于物料在螺杆的计量段受剪切作用较强，故本文在普通螺杆的计量段设计了1种剪切元件。图3为剪切螺杆结构设计。从图3可以看出，螺杆外径D1为19 mm，根径D2为15 mm，加料段长度L1为104 mm，压缩段长度L2为58 mm，计量段长度L3为68 mm，剪切区域长度L4为30 mm，有效长度L为230 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.019.F003图3剪切螺杆结构设计Fig.3Structure design of shear screw2.33D打印机喷头设计喷头装置是螺杆挤出式3D打印成型设备的重要组成部分，也是FDM 3D打印技术成型的关键点。图4为3D打印机喷头结构。从图4可以看出，螺杆由法兰滚珠轴承及轴承座定位支撑，步进电机的动力输出轴通过联轴器与螺杆的连接段相连接，步进电机工作过程中驱动螺杆旋转，实现对物料的输送、挤压。加热套与机筒用紧定螺钉固紧固连接，当加热套温度升高时，料筒的温度也随之升高，从而对物料进行熔融。在加热套的上方安装散热套管，并在散热套管的外侧安装风扇以达到散热的目的，防止喷头工作过程中温度过高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.019.F004图43D打印机喷头结构Fig.43D printer nozzle stucture3螺杆挤出过程仿真分析数值分析方法是利用计算机模拟螺杆挤出过程的1种优化技术，其特点是能够较准确地模拟螺杆结构及加工参数对塑化效果和塑料熔体流动状态的影响。本文运用有限元法，采用POLYFLOW软件对螺杆进行流体仿真分析。在解决非牛顿流体和非线性方面问题，POLYFLOW软件具有较强的求解能力；在挤出、吹塑过程的模拟中POLYFLOW软件发挥重要作用。3.1数学模型建立对于管道黏弹性流体流场模拟计算时，考虑到熔体输送的具体特点和聚合物的特性[12]，在建立描述流场的微分方程过程中，将部分影响较小的因素忽略不计[13]。作出假设：流道内熔体流动较好，满足润滑条件；熔体为非牛顿流体且不可被压缩；流场流动过程与时间无关；考虑熔体的高黏性，忽略重力以及惯性力。建立聚合物熔体运动控制方程的理论基础是质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律[14]，据此可以得到聚合物熔体的3个基础方程：连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。根据假设条件，描述流体运动的微分方程。连续性方程在笛卡尔坐标系下的表示方法为：∂ux∂x+∂uy∂y+∂uz∂z=0 （1）式（1）中：ux，uy，uz分别为速度矢量在x，y，z方向上的分速度。动量守恒方程在笛卡尔坐标下的分量表达式为：-∂P∂x+∂τxx∂x+∂τyx∂y+∂τzx∂z=0 （2）-∂P∂x+∂τxy∂x+∂τyy∂y+∂τzy∂z=0 （3）-∂P∂x+∂τxz∂x+∂τyz∂y+∂τzz∂z=0 （4）式（2）~式（4）中：p为流体微元上的压力，Pa；τxx、τyx、τzx、τxy、τyy、τyz、τxz、τyz、τzz为流体内应力张量的分量，Pa。熔融态的物料在流场运动的过程中，满足的能量守恒方程为：ρCpux∂T∂x+uy∂T∂y+uz∂T∂z=k∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2+ηγ2 （5）式（5）中：ρ为密度，kg/m3；Cp为比热容，J/(kg·K)；T为温度，K；k为热导率，W/(m·K)；γ′为剪切速率，s-1。3.2流体仿真分析3.2.1前处理与网格划分利用UG绘制出带有高剪切元件的螺杆的三维模型，将该模型经过简化处理后进行网格划分。单元网格的大小对实验结果存在一定影响，为了提高实验结果准确性，将三维模型导入网格划分软件Gambit中。Gambit内部特殊的混合网格生成算法，可以针对复杂形状的几何体进行快速、自适应网格划分。这种网格划分算法可以实现高效地自适应网格划分和质量优化，从而提高实验结果的可靠性。为了简化计算过程，选取螺杆内的计量段和部分压缩段仿真模拟，选择增长因子为1分别对螺杆和流体域划分网格。图5为带有剪切元件螺杆与流体域网格。从图5可以看出，螺杆的网格数量为131 213，流体域的网格数量为265 004。对螺杆及流体域划分网格后，将划分的网格进行重新组合，并导入POLYFLOW中进行求解计算。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.019.F005图5带有剪切元件螺杆与流体域网格Fig.5Grid of screw with shear element and fluid domain3.2.2材料选择与边界条件设置选择PP作为实验材料，其具有优异的力学性能及良好的耐热性[15]。在本次仿真实验中，对PP相关参数进行设定：熔体密度为0.92 g/cm3，零剪切黏度为3 660 Pa·s，非牛顿指数为0.58。物料在加热后以黏流态的形式在螺杆内部流动，在稳态流动的环境下，为了较好地描绘剪切速率与黏度之间的关系，选取计算的本构方程为Bird-Carreau模型[16]，其表达式为：η=η01+λ2γ2(n-1)/2 （6）式（6）中：η0为零剪切黏度，Pa·s；λ为松弛时间，s；γ为剪切速率，m/s；n为幂律指数。本构方程的模型参数设置完成后，在黏度迭代中选用Picard迭代算法，用隐式欧拉法求解离散后的方程代数组[17]。其余的边界条件设置为：熔体入口处法向力和切向力均设为0，螺杆的转速设置为2 r/min，壁面设为无滑移状态。3.3仿真结果分析3.3.1压力场分析图6为普通螺杆和带有剪切元件的螺杆的压力云图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.019.F006图6普通螺杆和带有剪切元件螺杆的压力云图Fig.6Pressure cloud diagram of normal screw and screw with shear element从图6可以看出，螺杆式3D打印机在工作的过程中，熔融物料沿挤出方向所受到的压力逐渐增加，说明物料在沿螺槽向喷头方向的螺旋推进运动是1个增压的过程。计量段内物料所受压力最大，其原因在于在计量段的螺棱到料筒间的径向距离较小，计量段中的物料在螺杆的挤压作用下，压力将升高；同时计量段内物料受到的剪切应力随之增加[18]。在计量段，带有剪切元件的螺杆的压力大于普通螺杆，说明带有剪切元件螺杆的建压能力相较于普通螺杆得到提高。在剪切段螺杆上物料所受的最大压力为6.040×106 Pa，在普通螺杆所受的最大压力为6.016×106 Pa，剪切螺杆相较于普通螺杆提高约0.399%。表明剪切螺杆具有良好正向输送能力，通过剪切螺杆的旋转作用，有效促进物料之间的摩擦挤压，有利于物料的流动混合与压实挤出。3.3.2速度场分析图7为普通螺杆和带有剪切元件的螺杆的速度分布云图。从图7可以看出，流体速度在整个流道内分布较为均匀，速度运动方向与螺槽旋向一致，且在螺槽内速度矢量大小相对较为平稳。物料在刚进入流道时，在螺杆的旋转推动下，物料沿螺棱进入螺槽中，流速急剧增大；物料被熔融压缩后有回流现象发生，使物料速度在一定的范围内波动。综合来看，流道内部流体运动速度的变化是1个复杂的过程。在螺棱面位置处速度均取得最大值，而在靠近料筒位置处速度取得最小值。因为在靠近料筒位置处流体所受阻滞力较大，处于层流流动的状态，故速度值最小。螺杆添加剪切元件之后最大的速度为13.26 mm/s，和普通螺杆相比最大速度降低约13.8%，该数量级的物料流速能够满足较精确的FDM 3D打印需求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.019.F007图7普通螺杆和带有剪切元件螺杆的速度云图Fig.7Velocity cloud diagram of normal screw and screw with shear element3.3.3剪切速率场分析图8为普通螺杆和带有剪切元件螺杆的剪切速率分布云图。从图8可以看出，进出口的剪切速率较小，是壁面无滑移导致的[19]。由于螺棱顶部与料筒内表面形成的区域较小，故在螺棱顶部与料筒内表面间隙处物料受到的剪切力较大。在壁面处聚合物的黏性力影响比较大，致使沿壁面法线方向发生了相当大的速度梯度变化[20]，导致剪切速率较大。因此，在螺棱顶部与料筒内表面间隙中出现高剪切速率区。整体的剪切速率在中间部分较大，说明物料在输送的过程中会受到剪切应力作用而发生连续性的变形[21]，符合实际的工作情况。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.019.F008图8普通螺杆和带有剪切元件螺杆的剪切速率云图Fig.8Shear rate cloud diagram of normal screw and screw with shear element由剪切速率云图可以得知，普通螺杆的剪切速率最高为11.86 s-1，而剪切螺杆的最大剪切速率为23.03 s-1，提高了约94%。综合来看，添加剪切元件能够显著提高螺杆对物料的剪切速率，物料经过多次的剪切作用可以有效改善熔融均化程度。4结论（1）对单螺杆挤出技术的成型过程与工作原理进行了分析，针对FDM 3D打印机的工作特点，确定38CrMoAlA钢应选作螺杆制作材料，设计出1种3D打印机喷头。为了改善物料熔融均化的程度以及提高熔融态物料的混合度，在普通螺杆的计量段适当地设置剪切元件，并以PP为流体介质，对带有剪切元件的螺杆和普通螺杆进行仿真模拟，并对物料在挤出过程中螺杆的压力变化、速度变化以及剪切速率变化进行分析，仿真结果均与实际工作情况相符，说明剪切螺杆设计的合理性。（2）在其他条件相同的情况下，通过对比普通螺杆和带有剪切元件的螺杆的仿真结果可知，带有剪切原件的螺杆所受的最大压力为6.040×106 Pa，相较于普通螺杆的最大压力提高约0.399%。而带有剪切元件的螺杆的最高剪切速率为23.03 s-1，普通螺杆的最高剪切速率为11.86 s-1，带有剪切元件的螺杆的剪切速率相较于普通螺杆均得到显著提高。结果说明，添加剪切元件有利于提高螺杆的建压能力以及对熔融物料的剪切速率，进而可以有效改善物料熔融均化程度。