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增材制造技术作为一种新型的制造技术,自诞生以来呈现多样化的发展趋势,在复杂结构产品的个性化定制与加工方面体现出显著的优势。熔融沉积成型(FDM)技术作为增材制造工艺主要类别之一,以其设备成本低、污染小、环境适应性强等特点备受青睐,但FDM打印技术材料种类单一,形状必须是具有一定强度的线材,这些问题限制了其更为广泛的应用。为了解决这些弊端,国内外学者将传统的螺杆挤出机应用于3D打印,但螺杆的生产方式相对3D打印这种精细加工略显“粗矿”,很容易出现喷嘴堵塞、挤出不稳定等现象,此外螺杆的加热历程较长,温度的波动对物料的流动性也有影响。本文以螺杆式粒料3D打印机为研究对象,设计了一种复合式螺杆3D打印机,解决了挤出喷嘴易堵塞、挤出速度与打印速度不好匹配、挤出速度不易微调等问题,研究内容及研究成果如下:(1)研究了螺杆式3D打印过程中涉及到的挤出胀大现象、滞后现象、聚合物材料粘度对温度和剪切速率的依赖性等成型机理,为螺杆式3D打印机的设计和打印参数的优化提供了参考。(2)螺杆式3D打印整机结构设计。整机结构分为塑化熔融挤出部分、传动部分、机构框架三部分,塑化熔融挤出部分为本文的研究重点和创新点,通过复合式螺杆的设计解决了喷嘴压力大易堵塞的问题,为了正确匹配挤出速度与打印速度,在水平、垂直螺杆的中间设计了储料筒。传动部分和结构框架设计是在现有桌面机的基础上做了改进,使其满足打印要求。(3)工作台及挤出部分的伺服运动控制与温度控制系统实现在现有打印机的基础上做了改进,通过Ardino控制板编译上传至打印机。熔融塑化部分,螺杆转动采用PC+PCI1240运动控制卡实现,通过对板卡内封装的库函数调用修改实现螺杆的转速可调;温度控制采用模糊PID控制,提高温度控制系统的响应速度,减小温度超调量,根据不同的打印环境自动调整PID参数值。(4)利用POLYFLOW对水平螺杆内的流场模拟,得到压力场、速度场、剪切速度场的分布云图,并对模拟的挤出速度与理论计算的挤出速度作对比,结果相差不大,预测储料筒注满所需时间,为后面机筒结构设计提供参考。(5)利用具有高韧性的PCL和高强度的MWCNTs协同改性PLA,解决打印时取件易脆断问题。实验中选用柠檬酸三丁酯(TBC)作为界面相容剂提高PLA/PCL两相间界面结合力,选用阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)减少MWCNTs团聚现象。最后分别对改性材料和螺杆式3D打印设备进行试打印,验证了材料改性与设备的打印可行性。