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[摘 要]通过实际加工，分析FDM式3D打印机一体式挤出与分体式挤出在结构和工作原理上的区别及其利弊，提出对分体式挤出堵料问题的解决方案。并对一体式挤出和分体式挤出采用不同打印速度打印的试件进行质量分析，说明分体式挤出的FDM 3D打印机在工作效率上的优势。
[关键词]FDM;3D打印;一体式挤出;分体式挤出;堵料;打印速度
[中图分类号]TP391.73 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）04–00–03
Analysis of the Characteristics of Split Extrusion by Fused Deposition 3D Printer
Wang Ming-xiao
[Abstract]Analyze the differences in structure and working principle between FDM 3D printer integrated extrusion and split extrusion and their pros and cons through actual processing， and propose solutions to the problem of material blocking in split extrusion. The quality analysis of the test pieces printed with different printing speeds for integrated extrusion and split extrusion is carried out to illustrate the advantages of the split extrusion FDM 3D printer in work efficiency.
[Keywords]FDM; 3D printing; integrated extrusion; split extrusion; material blocking; printing speed
FDM即熔融沉積快速成型工艺，是快速成型工艺中最具发展前景的成型工艺。FDM工艺具有成型速度快、成本低、成型精度高等特点，被广泛用于概念模型、原型件甚至功能件的制造。本工作主要研究3D打印机的一体式挤出和分体式挤出这两种挤出方式，一体式挤出的3D打印机指的是挤出头与挤出机结构为一体，工作时挤出电机随喷头一起运动，喷头结构惯性较大，进行往复运动时，振动较大，严重影响打印稳定性，限制了打印机的极限打印速度;分体式挤出指的是挤出头与挤出机结构分开，可以减轻喷头运动时的惯性，增加工作时的稳定性，提高打印速度。为研究FDM成型工艺，采用的机型是Prusa i3。Prusa i3打印机体积小、操作方便、维修容易，因此用Prusa i3作为对比一体式与分体式挤出比较合适。Prusa i3打印机的一体式挤出如图1所示。Prusa i3打印机的分体式挤出如图2所示。
本次使用打印机的控制板采用Repetier-firmware0.91版固件，固件参数是根据实际打印情况进行了调整。使用的上位机软件是Repetier-Host v1.5.3版本，目的是让固件与上位机软件达到最好的兼容效果。切片软件是CuraEngine，该软件切片速度较快，参数灵活可调，应用广泛。打印机控制板选用MKS BASE V1.2版，该控制板是经过优化设计的一体板，性能比较稳定。测试材料为PLA（聚乳酸）。在研究过程中，对两种挤出方式不同的Prusa i3进行了多次打印测试和操作、记录数据和对比分析，得出3D打印机的一体式挤出和分体式挤出的区别及其利弊。
1 一体式挤出和分体式挤出在结构上的区别
1.1 一体式挤出
1.1.1 一体式挤出的外部结构
一体式挤出3D打印机中挤料的挤出电机和挤出喷头是装配成一体的，如图3所示。从图3中可以看出，除了挤出电机与挤出喷头一体化以外，且挤出电机固定在支架上，挤出电动机上还需安装散热风扇，并且看到打印的耗材直接插入挤出机上，然后被挤出电机送到喷头。
1.1.2 一体式挤出内部结构
一体式挤出局部剖视图见图4。
由图4能清晰了解其内部的结构，喉管和喷嘴均通过螺纹连接紧固在加热块上。耗材（ABS或PLA）在步进电机带动的挤丝轮和U型轴承的压紧力下被送进喉管，直到耗材到达加热块处，被融化然后通过喷嘴挤出。图中看出渐变的耗材，深颜色表示耗材被加热的温度最大，在喉管远离加热块处温度渐渐下降，但是由于金属的导热性，仍然有一定的温度传送到步进电机的固定块上，这样会使步进电机的温度上升而影响步进电机的正常使用，所以需要散热风扇对步进电机进行散热。
1.2 分体式挤出
1.2.1 分体式挤出外部结构
（1）挤出电机和加热喷头分开安装。在X轴上只需要安装加热喷头，主要作用是加热耗材挤出，如图5所示。另外的挤出电机要和送料齿轮装配，主要作用是送料作用，如图6所示。这就是分体式挤出和一体式挤出的主要区别，分体式挤出把一体式挤出的功能分成两部完成。
（2）分体式挤出方式把一体式挤出机的功能分成两部分，两者之间需要连接一条导料管（铁氟龙管），如图7所示。
1.2.2 分体式挤出内部结构
分体式挤出内部结构剖视图见图8。
由图8能清晰了解其内部的结构，喉管和喷嘴均通过螺纹连接紧固在加热块上与一体式挤出的结构类似，唯一不同的就是分体式挤出的喉管另外一端固定在散热管。耗材同样在步进电机带动的挤丝轮和U型轴承的压紧力下通过送料管被送进喉管，最后被融化通过喷嘴挤出。 2 一体式挤出和分体式挤出的利弊
2.1 一体式挤出的弊端
（1）挤出电机与加热喷头装配成一体，增加了挤出头在X轴上滑动的重量，当打印的速度提高到一定的程度，往往使挤出头出现抖动，从而影响打印的质量和精度。
（2）由于挤出电机与加热喷头装配成一体，不仅增大了加热头支架的体积，还使打印机X轴的运动行程减短，限制了打印零件的宽度。
（3）如果一体式挤出头出现堵料的情况，不仅把挤出头拆出来清理，而且还要把卡在挤出机上的耗材取出、比较麻烦，要把装在挤出电机上的风扇和电机散热块拆出来，很明显，这个过程带来了很多不方便。
2.2 分体式挤出的优势
（1）由于分体式挤出的电机不是安装在X轴上，使挤出头的重量明显减轻了，当打印速度提高时，挤出头不会出现抖动的情况，相对一体式挤出而言，打印的速度可以提高一倍，而且可以保证打印的质量和精度及缩短了打印时间。
（2）分体式挤出使挤出头简单化，所以拆装挤出头部分比较方便，有利于堵料时快速地清洁挤出头。
2.3 FDM式3D打印分体式挤出易出现堵料问题分析及解决方案
分体式挤出易出现以下两种堵料的现象。
（1）喉管堵料。由图8得知耗材受热的长度比近程挤出的长，也是由于金属的导热性，散热管也有一定的温度，会使耗材在散热管处融化，这也是远程挤出容易发生堵料的原因。
（2）喷嘴堵料。热敏电阻（安装于加热块中）检测温度失真，喷头温度比显示温度高很多，导致料丝碳化发硬，堵住喷嘴。
由于分体式挤出最常出现的问题就是喉管堵料，因此在这里只分析喉管堵料的问题。挤出头最前端有加热管，会把塑料熔化成黏流态。后面的塑料继续往前推挤，就可以让黏流态的塑料从喷孔挤出，这是工作原理。但是喉管中心通道钻孔的孔径，一定要大于塑料的直径。甚至塑料本身直径有误差，有时候会稍微细一点。所以喉管通孔与塑料之间一定会有间隙。前端熔化的塑料受到挤压后，不只会从喷孔挤出，也会从后端的间隙倒流回去。一般不常看到图9中那样夸张得从喉管后端溢出，但是如果倒流的距离稍长，则塑料与喉管之间的摩擦力变得很大，进退不得，如图9所示。
解决的办法是让喉管散热。加热头以外的部分，尽量散热。例如散热管的位置，尽量散热，让温度低到能够使倒流的塑料凝固，达到阻止倒流的目的。凝固的部分虽然也会增加摩擦力，但是范围控制得够小，摩擦力增加的幅度就会受到控制。
经过长时间实践，在散热管位置处安装一个接电源的风扇，使风扇在整个打印过程中一直工作，这样就能够避免喉管堵料。
本次做一个打印速度测试，分别使用一体式和分体式挤出的3D打印机以不同的速度打印外形尺寸20 mm×20 mm×5 mm，内孔10 mm×10 mm的四方体，使用软件Repetier-Host，切片软件为CuraEngine，切片软件设置的打印速度为50%，打印结果见表1，表中打印速度均为软件Repetier-Host所设置的打印速度。
分析表1中两种机型所打印的打印件：
打印速度150 mm/s时，一体式挤出i3的抖动情况开始比分体式挤出i3的大，打印精度也开始降低，棱边不直，出现翘角;
打印速度200 mm/s时，一体式挤出i3打印精度仍然很低，并出现表明粗糙，填充不足的情况，而分体式挤出i3仍然保证100 mm/s的表面质量和精度，但与一体式挤出的一样出现轻微的翘角情况;
打印速度300 mm/s时，一体式挤出i3打印精度低，翘角明显，表面粗糙，填充不足更加严重，而分体式的打印精度也有所降低，但其质量在此速度仍保持着一体式挤出i3在150 mm/s的状态。
与一体式挤出i3相比，分体式挤出i3在打印速度方面取得很大的优势，在保证打印制品的质量的前提下，分体式挤出i3在高速打印下极大提高了工作效率和稳定性。
3 结束语
讲述了FDM3D打印机中分体式挤出和一体式挤出两种挤出方式在结构上和工作原理上的区别。理解分体式挤出和一体式挤出两种方式的工作原理后，并分析它们的利弊，有利于之后的打印速度测试的分析。分体式挤出方式在堵料上的问题得到了解决，就能分别对一体式挤出和分体式挤出在打印速度方面进行对比。分别以不同的打印速度打印出相同规格的测试方块，对测试方块进行对比分析，得出的结论是分体式挤出式比一体式挤出式所打印的速度快一倍的前提下，所打印的模型質量和精度也得到保证，因此，在工作效率上分体式挤出式的FDM3D打印机占很大的优势。
参考文献
[1] 孙春华.FDM成形件精度预测模型的建立[J].机械科学与技术，2010（3）：399-403.
[2] 胡发宗.三维立体打印机的成形技术[M].上海：上海交通大学出版社，2012.
[关键词]FDM;3D打印;一体式挤出;分体式挤出;堵料;打印速度
[中图分类号]TP391.73 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）04–00–03
Analysis of the Characteristics of Split Extrusion by Fused Deposition 3D Printer
Wang Ming-xiao
[Abstract]Analyze the differences in structure and working principle between FDM 3D printer integrated extrusion and split extrusion and their pros and cons through actual processing， and propose solutions to the problem of material blocking in split extrusion. The quality analysis of the test pieces printed with different printing speeds for integrated extrusion and split extrusion is carried out to illustrate the advantages of the split extrusion FDM 3D printer in work efficiency.
[Keywords]FDM; 3D printing; integrated extrusion; split extrusion; material blocking; printing speed
FDM即熔融沉積快速成型工艺，是快速成型工艺中最具发展前景的成型工艺。FDM工艺具有成型速度快、成本低、成型精度高等特点，被广泛用于概念模型、原型件甚至功能件的制造。本工作主要研究3D打印机的一体式挤出和分体式挤出这两种挤出方式，一体式挤出的3D打印机指的是挤出头与挤出机结构为一体，工作时挤出电机随喷头一起运动，喷头结构惯性较大，进行往复运动时，振动较大，严重影响打印稳定性，限制了打印机的极限打印速度;分体式挤出指的是挤出头与挤出机结构分开，可以减轻喷头运动时的惯性，增加工作时的稳定性，提高打印速度。为研究FDM成型工艺，采用的机型是Prusa i3。Prusa i3打印机体积小、操作方便、维修容易，因此用Prusa i3作为对比一体式与分体式挤出比较合适。Prusa i3打印机的一体式挤出如图1所示。Prusa i3打印机的分体式挤出如图2所示。
本次使用打印机的控制板采用Repetier-firmware0.91版固件，固件参数是根据实际打印情况进行了调整。使用的上位机软件是Repetier-Host v1.5.3版本，目的是让固件与上位机软件达到最好的兼容效果。切片软件是CuraEngine，该软件切片速度较快，参数灵活可调，应用广泛。打印机控制板选用MKS BASE V1.2版，该控制板是经过优化设计的一体板，性能比较稳定。测试材料为PLA（聚乳酸）。在研究过程中，对两种挤出方式不同的Prusa i3进行了多次打印测试和操作、记录数据和对比分析，得出3D打印机的一体式挤出和分体式挤出的区别及其利弊。
1 一体式挤出和分体式挤出在结构上的区别
1.1 一体式挤出
1.1.1 一体式挤出的外部结构
一体式挤出3D打印机中挤料的挤出电机和挤出喷头是装配成一体的，如图3所示。从图3中可以看出，除了挤出电机与挤出喷头一体化以外，且挤出电机固定在支架上，挤出电动机上还需安装散热风扇，并且看到打印的耗材直接插入挤出机上，然后被挤出电机送到喷头。
1.1.2 一体式挤出内部结构
一体式挤出局部剖视图见图4。
由图4能清晰了解其内部的结构，喉管和喷嘴均通过螺纹连接紧固在加热块上。耗材（ABS或PLA）在步进电机带动的挤丝轮和U型轴承的压紧力下被送进喉管，直到耗材到达加热块处，被融化然后通过喷嘴挤出。图中看出渐变的耗材，深颜色表示耗材被加热的温度最大，在喉管远离加热块处温度渐渐下降，但是由于金属的导热性，仍然有一定的温度传送到步进电机的固定块上，这样会使步进电机的温度上升而影响步进电机的正常使用，所以需要散热风扇对步进电机进行散热。
1.2 分体式挤出
1.2.1 分体式挤出外部结构
（1）挤出电机和加热喷头分开安装。在X轴上只需要安装加热喷头，主要作用是加热耗材挤出，如图5所示。另外的挤出电机要和送料齿轮装配，主要作用是送料作用，如图6所示。这就是分体式挤出和一体式挤出的主要区别，分体式挤出把一体式挤出的功能分成两部完成。
（2）分体式挤出方式把一体式挤出机的功能分成两部分，两者之间需要连接一条导料管（铁氟龙管），如图7所示。
1.2.2 分体式挤出内部结构
分体式挤出内部结构剖视图见图8。
由图8能清晰了解其内部的结构，喉管和喷嘴均通过螺纹连接紧固在加热块上与一体式挤出的结构类似，唯一不同的就是分体式挤出的喉管另外一端固定在散热管。耗材同样在步进电机带动的挤丝轮和U型轴承的压紧力下通过送料管被送进喉管，最后被融化通过喷嘴挤出。 2 一体式挤出和分体式挤出的利弊
2.1 一体式挤出的弊端
（1）挤出电机与加热喷头装配成一体，增加了挤出头在X轴上滑动的重量，当打印的速度提高到一定的程度，往往使挤出头出现抖动，从而影响打印的质量和精度。
（2）由于挤出电机与加热喷头装配成一体，不仅增大了加热头支架的体积，还使打印机X轴的运动行程减短，限制了打印零件的宽度。
（3）如果一体式挤出头出现堵料的情况，不仅把挤出头拆出来清理，而且还要把卡在挤出机上的耗材取出、比较麻烦，要把装在挤出电机上的风扇和电机散热块拆出来，很明显，这个过程带来了很多不方便。
2.2 分体式挤出的优势
（1）由于分体式挤出的电机不是安装在X轴上，使挤出头的重量明显减轻了，当打印速度提高时，挤出头不会出现抖动的情况，相对一体式挤出而言，打印的速度可以提高一倍，而且可以保证打印的质量和精度及缩短了打印时间。
（2）分体式挤出使挤出头简单化，所以拆装挤出头部分比较方便，有利于堵料时快速地清洁挤出头。
2.3 FDM式3D打印分体式挤出易出现堵料问题分析及解决方案
分体式挤出易出现以下两种堵料的现象。
（1）喉管堵料。由图8得知耗材受热的长度比近程挤出的长，也是由于金属的导热性，散热管也有一定的温度，会使耗材在散热管处融化，这也是远程挤出容易发生堵料的原因。
（2）喷嘴堵料。热敏电阻（安装于加热块中）检测温度失真，喷头温度比显示温度高很多，导致料丝碳化发硬，堵住喷嘴。
由于分体式挤出最常出现的问题就是喉管堵料，因此在这里只分析喉管堵料的问题。挤出头最前端有加热管，会把塑料熔化成黏流态。后面的塑料继续往前推挤，就可以让黏流态的塑料从喷孔挤出，这是工作原理。但是喉管中心通道钻孔的孔径，一定要大于塑料的直径。甚至塑料本身直径有误差，有时候会稍微细一点。所以喉管通孔与塑料之间一定会有间隙。前端熔化的塑料受到挤压后，不只会从喷孔挤出，也会从后端的间隙倒流回去。一般不常看到图9中那样夸张得从喉管后端溢出，但是如果倒流的距离稍长，则塑料与喉管之间的摩擦力变得很大，进退不得，如图9所示。
解决的办法是让喉管散热。加热头以外的部分，尽量散热。例如散热管的位置，尽量散热，让温度低到能够使倒流的塑料凝固，达到阻止倒流的目的。凝固的部分虽然也会增加摩擦力，但是范围控制得够小，摩擦力增加的幅度就会受到控制。
经过长时间实践，在散热管位置处安装一个接电源的风扇，使风扇在整个打印过程中一直工作，这样就能够避免喉管堵料。
本次做一个打印速度测试，分别使用一体式和分体式挤出的3D打印机以不同的速度打印外形尺寸20 mm×20 mm×5 mm，内孔10 mm×10 mm的四方体，使用软件Repetier-Host，切片软件为CuraEngine，切片软件设置的打印速度为50%，打印结果见表1，表中打印速度均为软件Repetier-Host所设置的打印速度。
分析表1中两种机型所打印的打印件：
打印速度150 mm/s时，一体式挤出i3的抖动情况开始比分体式挤出i3的大，打印精度也开始降低，棱边不直，出现翘角;
打印速度200 mm/s时，一体式挤出i3打印精度仍然很低，并出现表明粗糙，填充不足的情况，而分体式挤出i3仍然保证100 mm/s的表面质量和精度，但与一体式挤出的一样出现轻微的翘角情况;
打印速度300 mm/s时，一体式挤出i3打印精度低，翘角明显，表面粗糙，填充不足更加严重，而分体式的打印精度也有所降低，但其质量在此速度仍保持着一体式挤出i3在150 mm/s的状态。
与一体式挤出i3相比，分体式挤出i3在打印速度方面取得很大的优势，在保证打印制品的质量的前提下，分体式挤出i3在高速打印下极大提高了工作效率和稳定性。
3 结束语
讲述了FDM3D打印机中分体式挤出和一体式挤出两种挤出方式在结构上和工作原理上的区别。理解分体式挤出和一体式挤出两种方式的工作原理后，并分析它们的利弊，有利于之后的打印速度测试的分析。分体式挤出方式在堵料上的问题得到了解决，就能分别对一体式挤出和分体式挤出在打印速度方面进行对比。分别以不同的打印速度打印出相同规格的测试方块，对测试方块进行对比分析，得出的结论是分体式挤出式比一体式挤出式所打印的速度快一倍的前提下，所打印的模型質量和精度也得到保证，因此，在工作效率上分体式挤出式的FDM3D打印机占很大的优势。
参考文献
[1] 孙春华.FDM成形件精度预测模型的建立[J].机械科学与技术，2010（3）：399-403.
[2] 胡发宗.三维立体打印机的成形技术[M].上海：上海交通大学出版社，2012.