FDM 3D 打印：直驱与 Bowden 挤出系统如何选择

FDM 3D 打印机最重要元件之一是挤出机与热端组成的组件。

热端用于熔融丝材使其流经喷嘴，同时防热量传至所谓热区外部。

为此热端通常有四部分：

• 喷嘴：熔融丝材流经沉积零件的元件。其直径决定挤出丝材直径，即打印机 XY 分辨率。
• 加热块：负责将喷嘴加热至打印温度并保持稳定。
• 热间断：热隔断桥。分隔热区与冷区。
• 散热器：功能保持冷区制冷，散发加热块传递的多余热量。

图 1：热端内部温度。来源：E3D.com

挤出机负责将丝材拉入热端，在热端内产生足够压力使熔融材料恒定均匀流经喷嘴。

图 2：直驱挤出机。来源：E3D.com

目前结合热端与挤出机有两种方式：直驱挤出系统和 Bowden 系统。

图 3：直驱与 Bowden 打印机示意图。来源：Recreus.com

直驱系统中挤出机与热端形成单一元件, 将牵引点与喷嘴距离最小化。

Bowden 系统中挤出机固定于 3D 打印机框架，通过称为 Bowden 管的管道将丝材推入热端。

虽两系统优劣争论甚多，两者均有巨大优势及一些劣势。选择最合适取决于多因素，如常用材料类型、打印速度或打印机框架质量。

回抽

挤出机推送丝材向热端时，丝材压缩在喷嘴内产生熔融材料正常流动所需压力。但不想挤出材料时，仅停止推送不够，因压缩残留压力使材料继续流动。故每次热端移动新位置无需加料时，须回抽丝材必要距离使其解压释放喷嘴内压力。这就是回抽，在 3D 打印过程中至关重要。

图 4：回抽示意图。来源：sublimelayers.com

因塑料一般非刚性材料，挤出机与热端距离越大，为达喷嘴足够压力所需丝材压缩越大。这也使释放压力所需回抽距离更大。因此直驱系统回抽距离通常 0.8-2 mm，Bowden 系统可达 5-6 mm。

能用低回抽值有重要优势。一方面回抽时间短，涉及大量回抽的零件可显著缩短打印时间。另一方面低回抽距离最小化熔融丝材到达热端冷区风险，防其固化膨胀导致堵塞。

正是此因素导致Bowden 挤出机需更复杂精准的回抽校准，因过低导致溢料拉丝与过高导致堵塞的临界值极小。

柔性丝材

挤出机与热端距离的另一直接后果是柔性丝材表现。

Bowden 系统中丝材通过管道（通常特氟龙）从挤出机导引至热端。虽管内径理想等于丝材直径，实践中不可行，因制造公差微小直径变化及高摩擦力。故所有 Bowden 管都有间隙，大多数材料无问题，但柔性材料有问题。

图 5：Bowden 管内丝材弯曲。来源：E3D.com

因高柔性，TPU、TPE 等材料在 Bowden 管内易弯曲，将挤出机拉力转移至管壁。这使难以在喷嘴实现恒定压力确保正确挤出。

此外柔性材料为达喷嘴足够压力所需丝材压缩远大于 PLA 等材料，常导致需用过高回抽距离。

尽管如此，有经验者仍可在 Bowden 系统打印硬度较高的柔性材料，特别是用 2.85 mm 或 3mm 规格、避免回抽和用高质量严密内径 Bowden 管如 Capricorn XS。

图 6：Bowden Capricorn XS 管。来源：Captubes.com

毫无疑问，直驱挤出是柔性材料理想系统。挤出机与热端短路径最小化丝材压缩，使其更紧凑防止管内弯曲。所谓紧凑挤出机如 Titan Aero 尤其是 E3D Hemera，使简单高质量使用各类柔性材料成为可能。

惯性

尽管回抽和柔性丝材用直驱系统占优，但Bowden 系统在某特性上突出，对特定应用极重要：惯性。

基本打印参数之一是速度。虽许多打印机允许 80-100 mm/s，但存在阈值速度，超越则必牺牲零件质量。因热端不能匀速运动，每次变向必须减速至特定变向速度再加速。

因牛顿第一定律。热端有质量，运动时有惯性力，质量或速度越大惯性越大。变向时惯性力传递至打印机其余部分引起振动和显著精度损失。为避免，变向前须降速至主要取决于打印机结构刚性和热端重量的数值。结构不健壮轻量意味更低变向速度和更慢加减速曲线，因吸收惯性能力弱，导致速度更低、打印时间更长。减少惯性唯一途径：降速或减重。

图 7：惯性振动对打印质量影响。来源：2Dprinterwiki.com

Bowden 系统在此占优。固定最重的挤出机，仅移动热端，大幅降低惯性。这使Bowden 系统打印机可用显著高于直驱系统的打印速度而不牺牲质量。

直驱与 Bowden 系统选择

直驱与 Bowden 选择基本取决于优先打印速度还是优先新材料通用性与易用性。

若追求单位时间最多产出且一般仅用 PLA、PETG 等少数刚性材料，Bowden 系统打印机为最佳解决方案。

反之，若优先使用工程和弹性材料并获最佳质量，愿牺牲打印速度，直驱挤出系统为理想选择。