红宝石在FFF技术3D打印机中的应用

［摘 要］ 增材制造（3D 打印）是新兴制造业，集合了信息网络技术、先进材料技术及数字制造技术，广泛应用于汽车、电子、医疗、航空航天、建筑等领域。文章针对FFF 技术3D 打印设备在高强度、高分子材料的使用过程中，对挤出喷嘴磨损大等问题提出红宝石在FFF 技术3D 打印设备挤出中的应用方案。从材料硬度、光洁度、导热系数等方面认证其与3D 打印挤出系统的相关性。实践表明，该应用可提高挤出喷嘴对材料的适用性并延长其使用寿命，降低挤出喷嘴使用成本。

［关键词］红宝石喷嘴；挤出热端；3D 打印机

［中图分类号］TP391.73 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）04–0074–03

增材制造（3D 打印）是以数字模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式堆积制造出实体物品的新兴制造技术，广泛应用于汽车、电子消费品、医疗、航空航天、建筑等领域。

自2015 年起，深圳成立增材制造产业集聚区，形成材料、硬件、软件及应用服务一体的生态链系统。安徽繁昌规划建设春谷3D 打印产业园，为工业制造、医疗器械等行业提供服务。长沙与西安依托高校资源，大力发展3D 打印，特别是在金属3D 打印方面，技术处于行业领先。

在产业体系方面，2022年9月，上海市会同江苏省、浙江省共同发布的《上海大都市圈空间协同规划》中提出3D 打印是未来的新产业重点发展方向。在技术创新方面，“十四五”国家重点研发计划重点专项涉及21 项增材制造任务，重点发展高温合金、人体骨骼等材料粉体制造技术，增材制造技术，轻质高强合金结构功能一体化设计技术。

挤出喷嘴材料的硬度、光洁度、导热系数等参数直接影响着高温、高强度打印材料的应用，提高挤出喷嘴对材料的适用性并延长其使用寿命，降低挤出喷嘴使用成本，对行业的发展有重要意义。

1 喷嘴分类

在增材制造（3D 打印）行业中有非常多的技术成型路线，其中FFF 技术指熔丝制造，也称熔融制造（FDM），主要是一定规则直径下丝状材料通过加热后形成熔融粘稠状态，x 轴、y 轴、z 轴与挤出轴相互运动，在一定直径挤出喷嘴中被压力挤出，成型于x、y 平面上，z 轴按一定值进行单向运动，堆叠成3D形状。

在常规丝状材料中，一般有直径3 mm 与直径1.75 mm 两种材料，挤出喷嘴直径在综合精度与效率的同时，一般选择直径0.4 mm 的喷嘴。打印材料一般有PLA、ABS、PETG、TPU、PC、PEEK、碳纤维尼龙等。在高温压力挤压过程中，材料持续从0.4 mm的挤出喷嘴中被挤出，0.4 mm 直径需要长期承受着挤压摩擦。

1.1 黄铜喷嘴

在FFF 技术3D 打印设备中，挤出喷嘴采用黄铜材料是大多数设备的主要选择。H59 牌号黄铜，经济性好，可加工性强。在常用3D 打印材料中，PLA及ABS 运用较为广泛，尤其是PLA 材料应用更广。PLA 是以乳酸为主要原料聚合得到的聚酯类聚合物，是一种新型的生物降解材料，加工温度为170～230℃，非常适合挤出成型加工。FFF 技术3D 打印设备的挤出喷嘴安装及使用工况如下。

热端组件一般由喷嘴、加热块、喉管、散热器、加热棒及温感器组成。根据打印材料的不同，打印模版会设定不同温度参数。执行打印过程中，设备给加热棒供电并进行加热，加热棒安装在铝加热块上，铜喷嘴通过螺纹与铝加热块连接，使得铝加热块与黄铜喷嘴处于加温状态。温感器安装在铝加热块内，软件根据模版设定打印材料需求的对应温度，温感器控制加热棒加热状态，使得铝加热块与黄铜喷嘴达到对应打印材料需求的温度。打印材料为丝状固体，线径为1.75 mm，经过热端组件低温区，即喉管上半部分且与铝散热器安装在一起，目的是保持打印材料处于低温固体状态，以增加挤出力。热端组件高温区，即喉管下半部分通过螺纹拧入铝加热块中，目的是保持打印材料进入高温区域后，快速熔融打印材料，使得打印材料熔为稠状，并经过热端组件黄铜喷嘴（直径0.4 mm）挤出，同时在打印平台上形成x、y 坐标图形。

打印材料在不断挤出过程中，热量也将随着材料挤出而被带走。这时需要黄铜喷嘴快速传递温度变化到铝加热块，再传导至温感器，从而触发加热棒工作，补充加热温度。为获得好的挤出打印效果，需要喷嘴与加热块端的温度快速传导，以提升打印速度。

综上所述，在综合成本、导热性、硬度、热变形及加工性方面，黄铜是最优选择。

1.2 不锈钢喷嘴

伴随着打印材料种类的增多，越来越多更高强度的高分子材料被应用，如PC、PEEK、碳钎维尼龙、PA 尼龙等。

PC（聚碳酸酯）强度高、耐高温、热塑性好，是很多ABS 无法满足性能需求的首选替代材料。

PEEK（聚醚醚酮）易加工、强度高、耐高温、耐磨，是电子、医疗等行业常用材料。

碳纤维（以下简称“CF”）是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。CF 重量轻，但强度非常高，并且具有耐磨性，在军工、航空航天等领域运用非常广泛。

在这些打印材料中，打印温度将超过260℃，传统的黄铜喷嘴热端存在技术缺陷，极易造成0.4 mm孔径的磨损，从而影响打印精度。不锈钢材料有比较好的强度及加工性，不锈钢SUS304 或者SUS316L硬度是黄铜H59 的2 倍及以上，在没有润滑的应用场景下，不锈钢的耐磨性要明显优于黄铜。不锈钢的热传导系数比较低，不锈钢材料导热系数仅为黄铜材料的约1/20。

在打印碳纤维材料过程中，进行了黄铜材料挤出喷嘴与不锈钢材料挤出喷嘴的寿命对比，测试数据见表1。

综合上述信息，黄铜挤出喷嘴在常规PLA 材料方面有比较好的应用场景。在更高温、更高强度材料打印，不锈钢材质挤出喷嘴虽然在寿命上优于黄铜喷嘴，但打印速度会降低，而且寿命提升的绝对值不大，对于使用者来讲，还是希望有更优设计。即在不影响打印速度，甚至有可能提升打印速度的情况下，提高挤出喷嘴的绝对使用寿命值。

1.3 红宝石喷嘴

文章提出的红宝石喷嘴，将黄铜与红宝石结合，既具备黄铜导热性好、可加工性强、成本低等优势，也具备红宝石硬度高、光洁度高等特点，使得挤出喷嘴导热快、挤出接触面摩擦力减小、耐磨度增加，从而延长挤出喷嘴使用寿命并提高其对更多材料的适用性。

2 红宝石喷嘴设计

2.1 技术难点

随着增材制造技术的不断发展，工装夹具、医疗、航空航天、军工等行业不断探索高强度、轻质量的材料，寻求以塑代钢的解决方案。针对高强度材料在FFF 技术3D 打印机中的应用，其打印设备如何进行技术创新，尤其是关键零部件挤出挤出喷嘴的硬度、耐磨性、耐高温、易加工性及经济性指标如何满足材料的需求，是必须解决的技术难点。传统的黄铜喷嘴导热快，易加工及经济性优良，但在缺乏硬度与耐磨性，无法满足应用场景。不锈钢喷嘴虽然在硬度与耐磨性方面较黄铜喷嘴提升了2 倍，但经过测试后的绝对寿命值并不理想，绝对值提升非常有限，并且还影响打印速度，所以不锈钢喷嘴也不是好的解决方案。

2.2 解决方案

红宝石喷嘴是将挤出喷嘴本体继续保留黄铜材料，使用黄铜的导热系数高的特性，可以快速导热。在黄铜喷嘴0.4 mm 孔径、约2 mm 处的挤出端镶嵌红宝石材料，用于承受打印材料的挤出摩擦力，发挥红宝石硬度高及光滑等特性。红宝石喷嘴在打印材料适用温度方面可达350℃。

打印材料固体状态下直径为1.75 mm，经喷嘴挤出后成型直径为0.4 mm，10 mm 打印材料将产生191.4 mm 的成型位移尺寸。

黄铜镶嵌红宝石喷嘴适配市场上大多数打印材料，如PLA、ABS、PETG、TPU、PP、PC、PA、PEI， 以及含有碳纤维等研磨添加剂的复合型材料。在使用碳纤维材料测试过程中，累计打印1 000 h 以上（2 个月），喷嘴红宝石处0.4 mm 孔径经测量未明显变大，检具直径0.42 mm塞规可以止住。显微镜下观察，红宝石喷嘴未见明显磨损，使用寿命是黄铜喷嘴的50倍以上，是不锈钢喷嘴的25倍以上。

3 应用实例分析

3.1 应用案例

2022 年9 月，我国某新能源企业希望与上海复志信息科技股份有限公司配合，在3 日内完成1 000 件氦检工序上的零件。经讨论分析，决定选用基于高性能、高温尼龙的碳纤维增强复合材料（PPA CF15），该材料具有高刚性和高强度的特性，正常热端打印温度为300℃，设备官方推荐使用硬化钢及以上等级喷嘴，适配打印机型为E2CF。

由于交付时间短，E2CF 机型暂时没有现货，决定将E2 机型进行热端改造升级。使用黄铜镶嵌红宝石喷嘴，投入改造20 台E2 机型，分批交付。

3.2 应用效果

上海复志信息科技股份有限公司在第3 天完成了1 000 件的全部交付，产品质量符合客户使用工况要求，也为后续3D 打印技术在新能源行业运用提供了很好的口碑。

4 结束语

随着增材制造技术的发展，更多高强度、高耐磨性新材料被运用。铜镶嵌红宝石喷嘴技术的提出和验证使用，很好地解决了喷嘴打印寿命、打印速度及材料兼容性的问题。黄铜镶嵌红宝石喷嘴技术在FFF技术3D 打印机中发挥重要作用，并且将进一步引发技术的创新。

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