浅析义齿3D打印机挤出机构研究

单子桐 ,姜,峰 ,马佰公

哈尔滨远东理工学院    黑龙江省哈尔滨市     150025

摘要：随着我国制造业的快速发展，3D打印技术快速崛起，应用领域广泛。本文基于对国内外3D打印技术的现状分析以及对义齿打印中广泛应用的陶瓷浆料性质分析，着重探讨了陶瓷义齿3D打印机微型螺杆泵挤出装置在浆料挤出时所遇到的精度不高及出料控制问题及解决方法。

关键词：挤出装置；打印；螺杆泵

一、引言

3D打印，又称增材制造、积层制造。是一种以数字模型文件为基础，打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。这项技术中可以选择金属、聚合物、生物陶瓷和陶瓷等多种不同材料。目前，在义齿打印中，具有高强度、高硬度、耐高温和耐腐蚀等特性的陶瓷材料应用广泛。

挤出系统作为陶瓷义齿3D打印机的核心，对打印的高精度、高质量具有重要影响。陶瓷浆料为高固含量的二氧化锆浆料，在加工挤出过程中材料会呈现出非牛顿流体的特性，材料会随着转子在转动过程中剪切速率的变化而改变粘度，进而影响到打印义齿的最终质量。通常的义齿3D打印机挤出机构在加工过程中精度达不到要求，对出料的速率也做不到精准的控制，所以对陶瓷义齿3D打印机的核心部分—挤出机构进行结构设计分析和流道模拟分析具有重要意义，从而满足整机的高精度使用要求。

二、国内外研究现状

1. 国外研究现状

2015年美国DENTCA 公司开发出新型3D打印义齿基托，并获得FDA批准上市。2016年7月，桑托斯大学的科学家们3D 打印出仿生犬牙并成功取代了受伤拉布拉多犬的断齿。德国的EnvisionTEC于 2016年推出新型3D打印材料并被 FDA 批准用于牙科。2018年瑞典Digital Meta公司为了进一步提高生产率并降低生产成本推出3D打印自动化生产理念，最大程度的减少资源的浪费。这种打印方面的科学技术对国内平民大众来说，高成本的义齿打印费用是很难接受的，今后的科学技术发展也要对技术的成熟度进行进一步的研究，为收入中等的民众提供医学牙齿方面的便利。

2. 国内研究现状

2005年王天明等人设计了一款新型的打印机喷头，这种喷头适用于以颗粒状态的粉体为原料的微型螺旋挤压装置，为之后的打印成品的出丝滞后和“流涎现象”提供了宝贵的智慧。北京科技大学邵慧萍等对ZrO2陶瓷浆料通过螺杆挤出方式打印的陶瓷件生坯没有缺陷和变形，并得到了分布均匀氧化锆颗粒。华中科技大学李小倩提出了基MAM自由成形技术的ZrO2全瓷牙冠制备工艺，并对浆料的稳定性和分散性进行了策略研究，确定了该工艺的浆料配方，为解决义齿制备效率低的问题提供方案。河北工业大学丁承君等设计出一款新型基于 Delta 结构的陶瓷3D打印机，使得陶瓷3D打印机实现了打印过程的稳定并且完成了陶瓷浆料的不间断提供，但其出口处流速过小可能对打印速度造成影响。北京化工大学田静等针对微型螺杆挤出式3D打印机的进展进行了研究，通过将螺杆微型化移植到3D打印喷嘴内或者与3D打印机通过导向管或转向接头连接，解决了形状受限、加工深度不足等问题。

三、挤出机构分析

提高陶瓷义齿3D打印机整机的高精度设计要求，能够避免在产品加工过程中“过堆积”、“欠堆积”现象的产生，可以对出料速率进行有效控制，也可以使精度大大提高，最终实现陶瓷义齿3D打印机设备的市场需求。

研究挤出机构的设计，采用微型螺杆泵挤出装置，步进电机与推动浆料的转子通过万向节联轴器相连，当步进电机启动时，螺杆泵转子旋转产生径向分力在万向节联轴器下实现转子在定子内部的浆料输送，最终使浆料从喷头流出。而且在定子与转子之间会形成相对独立的封闭腔体。利用微型螺杆泵自身压力恒定的特点，实现义齿打印过程中对出料速率的控制，使打印顺利进行，进而有效解决“流涎现象”。

挤出机构结构主要包括料筒、步进电机、螺杆泵转子、螺杆泵定子、外壳体、支撑杆、万向节联轴器、喷头、打印机底板以及为料筒内的陶瓷浆料流动提供动力的气泵装置。

料筒的上端开口处接入塑料制软管，通过塑料软管使料筒与气泵进行密封连接；下端开口处则通过连接的塑料管使浆料能够无泄漏的顺利进入到螺杆泵挤出机构挤出装置内部。打印装置启动的同时打开气泵装置，通过气泵产生空气压力，依靠压力的作用为料筒中的活塞提供一定的推力，然后推动浆料的同时也保证了浆料充满微型螺杆泵挤出装置内部。对于挤出式装置的驱动部分，通过万向节联轴器使步进电机与推动浆料的转子连接，步进电机启动时，通过万向节联轴器使螺杆泵转子旋转产生径向分力实现转子在定子内部的浆料输送，最终使浆料从喷头流出。

四、结束语

针对陶瓷义齿3D打印机核心部分的挤出机构进行了分析，实现对挤出浆料的流出和停止的及时控制，并对挤出头的流道进行相应分析，合理优化了挤出机构的内部状态，为后续进一步对陶瓷义齿3D打印机精度及控制问题的研究奠定基础。

参考文献

[1] 宋发成，刘元义，王橙等.3D打印技术在陶瓷制造中的应用[J].山东理工大学学报，2018年第5期.

[2] 王天明，习俊通等.颗粒体进料微型螺旋挤压堆积喷头的设计[J].机械工程学报，2018年第6期．

[3] 李小倩.基于MAM自由成形技术的ZrO2全瓷牙冠制备工艺研究[D].华中科技大学，2019年8月.

[4] 田静，薛平等.微型螺杆挤出式3D打印机的研究进展[J]. 塑料，2018年第8期.

[5] 王向东，乔冠军，金志浩.可加工陶瓷研究的新进展[J].材料导报，2020年第4期.

基金项目:黑龙江省大学生创新创业训练计划项目(项目编号：202113301029）阶段性成果。

作者简介: 单子桐（2000—），女，哈尔滨远东理工学院，本科在读，研究方向：机械电子工程。