喷头是实现FDM成型技术的前提和核心。传统的挤压式喷头装置对打印丝材尺寸精度要求较高，直接导致材料的生产成本居高不下，面向3D打印的材料，其应用范围的广度和力学性能的深度上受到限制。若能将单螺杆挤出机与3D打印机直接连接，3D打印的耗材就不局限于丝材，而是颗粒体材料，材料的应用范围广度和力学性能深度均能得到进一步扩展。同时可以在材料加工过程中减少一次加热熔融过程，减少能源消耗和对材料的损伤。
- 一体化3D打印系统的速度匹配性，挤料装置挤丝速度与3D打印成型速度流量的精确控制，直接影响打印件的成型质量
- 挤料装置单螺杆的小型化设计，挤料装置的流量需与3D打印成型速度保持一致，当螺杆尺寸过大，单位时间内挤出流量会大大超过单位时间内3D打印成型所耗材料，而3D打印机喷头出料口直径尺寸是一定的，出料口处压力增大造成波动剧烈增大，不利于碳纤维复合材料快速成型的稳定性
根据选用的碳纤维类型及其特性，研究适用于3D打印的碳纤维复合材料的挤料原理、挤料装置，以及不同制料工艺条件对材料性能的影响。利用单螺杆挤出熔融共混方法制备碳纤维复合材料，经3D打印机打印出测试件，最后对增强的碳纤维复合材料制成的测试件进行力学性能实验和数据分析。仿真分析得出了3D打印FDM成型加工碳纤维复合材料的可行性。根据加工工艺特性要求，明确挤料装置重要构件为挤压系统，核心部件是单螺杆，单螺杆的设计直接影响挤料装置的性能，对制备碳纤维复合材料性能影响较大。
在设计过程中结合螺杆设计的理论与经验，设定与3D打印FDM成型工艺要求相匹配的螺杆参数，对挤压系统中的固体输送段和熔融段内的流体理论进行计算分析，验证了自主设计螺杆参数设置的合理性。同时建立了挤压系统的流道模型，在一定的数学模型和边界条件设置下，使用Fluent中的mixture模型进行数值模拟，得到流体熔融情况和压力场、温度场、速度场等流体仿真结果。可得出挤压系统在挤出物料前，全部物料呈熔融态。验证了通过计算设计的螺杆三段式的长度足以使熔融材料在从装置中挤出前完成全部熔融，可满足均匀混料、稳定挤出的要求。使用控制变量方法，对碳纤维3D打印的测试件进行性能测试，得出3D打印碳纤维复合材料最佳成型工艺，同时验证了3D打印用碳纤维复合材料挤料装置设计的合理性和实用性。
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