FDM型3D打印機噴頭優化設計

閔 暢，李 錦，沈新明，劉佳麗，劉 洋

(武漢科技大學機械自動化學院，武漢 430081)

FDM型3D打印機噴頭優化設計

閔 暢，李 錦，沈新明，劉佳麗，劉 洋

(武漢科技大學機械自動化學院，武漢 430081)

隨著3D打印技術的不斷創新與發展，其已成為各類不同行業關注的熱點，在社會應用機械類市場上的影響力很大，發展勢頭十分迅猛。在工業生產方面，3D打印技術也將逐漸順應時代要求代替傳統的機床模具生產。盡管3D打印機目前應用廣泛，在科技創新中不斷改進與優化，在打印技術方面也逐漸趨于成熟，但在打印機噴頭設計方面仍存在著諸多問題與不足，以FDM型3D打印機為例，在打印過程中容易出現打印模型坍塌、開裂，噴頭堵塞、拉絲等普遍性問題。本文基于FDM型3D打印機，對噴頭在打印時出現的這些常見問題進行分析并提出解決辦法，同時對現有噴頭打印過程中出現的部分問題提出切實可行的改進設計方案。

FDM；3D打??；噴頭；改進設計

3D打印技術自20世紀80年代問世以來，二三十年間在其設計與創新上不斷進步與發展，尤其在當前的智能制造領域，極具發展前景?，F有打印方式以及類型有：熔融沉積 (FDM) 型、分層實體制造型、激光燒結型，等等，本文以熔融沉積 (FDM) 型 3D打印機為例。FDM型打印機是目前市場上應用最為廣泛的打印機類型，可采用不同的材料進行3D實體成型打印，在很多場合都能看到3D打印，這門技術從最開始被創造之時對人們的潛移默化到現在逐漸被大家所熟知，普遍應用在社會生產與實際生活中。

熔融沉積 (FDM) 型3D 打印技術屬于高效實體成型技術中的一種[1]。該技術在傳統制造思路上進行創新，不斷超越傳統生產制造模式，在生產效率和經濟效益上成果顯著。在眾多打印機型中，熔融沉積 (FDM) 型打印技術因其在生產制造中成型速度快、節省材料且操作便捷等一系列優點，成為目前市場上運用最為廣泛的3D打印技術[2]。盡管3D打印技術應用廣泛、發展迅速且不斷創新，在打印技術方面也趨于成熟，但3D打印依然存在諸多問題與不足，尤其體現在打印機噴頭設計方面。在3D打印機不斷影響智能設備市場的前提條件下，其在工作狀態時出現的各類問題都亟待解決，本文就以FDM型3D打印機噴頭易出現的打印模型坍塌、開裂，噴頭堵塞、拉絲等問題進行分析說明，并提出可行性的改進措施。

1 噴頭結構與功能

噴頭是打印機完成熔融沉積成型的核心零部件，根據打印要求的不同可自行選擇單噴頭或者雙噴頭，本文針對噴頭較為常見的普遍性問題，因此選擇單噴頭進行分析說明。FDM型快速成型設備的噴頭結構一般由控制裝置、送料機構、喉管冷卻組件、制冷裝置、喉管組件和噴頭熱端組件等結構組成[3]。

A.控制裝置主要對噴頭的整個工作過程提供信號控制，控制電力、動力和由計算機編碼控制的打印輪廓，保證熔料能順利地從噴嘴擠出。

B.送料機構是將熔融材料從進料口傳輸至料筒，將材料按照所設定的進料速率進入喉管組件，并為熱端組件中的材料順利從噴嘴處的小直徑孔擠出提供一定的動力。

C.喉管冷卻組件就是冷卻喉管組件的裝置，主要是通過熱傳導來加快熱消散達到冷卻效果。

D.制冷裝置的主要功能是采用磁制冷原理與喉管冷卻組件進行熱交換。

E.喉管組件則是打印材料的傳輸通道，將噴頭熱端組件和喉管冷卻組件用螺紋結構進行連接。

F.噴頭熱端組件的結構功能就是將打印材料加熱，使其由固態變為熔融狀態，較為先進的一項技術就是其特殊的結構可以使熔融狀態的打印材料在被擠出噴頭進行分層打印時迅速冷卻凝固[4]。

本文主要針對噴頭閥針和噴頭熱端組件的相關問題缺陷和不足來進行分析，進而改進其結構功能。圖1為噴頭部分的結構框架。

圖1 噴頭結構框架Fig.1 Nozzle structure frame

3D打印機工作時，噴頭處的固態料絲在其內部的整個工作流程為：首先控制裝置對送料機構、制冷裝置及熱端組件等進行信號控制，將固態料絲送入送料機構，進而送料機構將熔融材料從進料口傳輸至料筒，將材料按照所設定的進料速率進入喉管冷卻組件，喉管冷卻組件對喉管組件進行冷卻，接下來喉管組件將噴頭熱端組件和喉管冷卻組件用螺紋結構進行連接，而噴頭熱端組件的結構功能是將打印材料加熱，使其由固態變為熔融狀態的料絲[5]。

2 噴頭問題分析及設計改進

2.1 模型坍塌、開裂原因及其解決辦法

在FDM型3D打印機進行模型打印時，因采用逐層打印的方式，當模型橫截面積變化過快時或當某一部分橫截面積過小，尤其是模型底部的橫截面積太小，這樣非常容易造成打印模型坍塌[6]。對于打印過程中出現的坍塌現象及其發生原因，本文提出如下解決辦法：

在制作模型之前，先對控制打印機動作的程序編寫進行改進，主要改進前處理軟件的程序，首先要設置一個模型坡度的最大坡度值和最小橫截面積值，計算機對這些單邊范圍進行設置、生成截面信息后，當打印過程中達到臨界范圍以及在編程后生成實際加工路徑時，將會自動在模型外添加輔助性平面。由于輔助性平面添加在模型的外部，將不會對原有模型的打印結果產生影響，這樣在制作模型時，逐層打印的下面一層就包含了兩個部分，即模型部分和輔助性部分，這兩部分都制作完成后，模型部分已經冷卻達到穩定狀態，在上層打印時下層穩定，將從很大程度上改善模型的變形坍塌，此類問題相較以往得到明顯改善。

模型開裂是由于在進行實際打印時，模型體積過大或某一方向的長度過長，模型就可能會在打印過程中裂開，這是因為FDM型打印機在逐層堆積成實體模型時實現了固-液-固的變化過程。關鍵的問題在于液體在被噴頭擠出時，要依靠冷卻條件在分層打印時凝固成固態，進而堆積成為三維模型該有的形狀[7]。此時由于材料受到熱脹冷縮這一物理因素的影響，因此從液態冷卻后到固態的模型很容易產生一定程度的變形，而解決辦法是選擇收縮率較小的最優材料，盡量避免模型發生較大變形，防止當模型承受能力達到極限程度時發生裂開的嚴重問題[8]。

2.2 堵塞問題及設計改進措施

在實際生活應用中，3D打印機噴頭出現堵塞的情況非常常見，這與熔融材料、人工調節和噴頭結構等都有一定的關系。用于熔融沉積打印的材料有金屬、塑料和樹脂等，從外界條件進行分析，當材料加熱融化后質地不均勻、黏稠度方面達不到合格要求時，就容易導致打印機機頭堵塞。FDM型3D打印機熔融材料擠出溫度調節、擠出壓力調節以及進料松緊調節不合適等人為因素，也對噴頭造成不良影響[9]。而本文討論的是打印機本身的內部因素：熱流道及溫度場分布不均勻。當噴頭傳熱效果不佳時，就會導致內部的熔融物質流通不順暢，進而造成打印機噴頭堵塞，而機頭傳熱不佳主要由于溫度源與噴頭之間的距離過遠或是噴頭部分零件的連接不緊湊和密封性不好，在一定程度上造成熱損耗[10]。

針對材料質地和黏稠度等問題，可以通過改進熔融材料并配以合適的機型來解決此類問題。本文主要針對噴頭熱端組件的不足進行改進設計，結合以上的分析結果，在噴頭選材和結構上做出合理的改進。噴頭以往比較常用的材料為鋁青銅，在一定程度上，鋁青銅在剛度、耐磨性、抗腐蝕性等方面都占有優勢，在導熱性能方面相比于其他合金材料較差，其導熱率為56 W/(m·K)。在不影響其原有特性優勢的前提條件下，進一步增大噴頭的導熱性能，采用強度、耐蝕、防腐、抗磨抗沖擊性能優越且導熱性能好的沉淀硬化型合金鈹青銅，其導熱率≥105 W/(m·K)，同時也具有很好的耐寒性和無磁性，更容易適應各種惡劣和復雜的環境條件[11]。在結構上，噴頭可采用整體的形式，圖2為對噴頭進行結構上的改進。

圖2 改進噴頭的二維圖Fig.2 Improved two-dimensional nozzle

噴頭部分結構的零件和連接件較少，為改善其傳熱效果，降低打印機工作時發生的熱損耗，可以在整個噴頭的外部設置加熱圈，以更好彌補在傳熱過程中的溫度損耗，保證熔融物質的穩定流動。與原來常用的噴頭結構對比，改進后的噴頭結構更加簡化，加熱圈將噴頭周圍的溫度場分布更加均勻，使其內部熱流道的距離縮短，在很大程度上改善了熱損耗，隔熱保溫性能大大提高。

2.3 拉絲問題及設計改進措施

3D打印機拉絲問題，即在打印過程中打印模型上出現多余且不需要的塑料絲。產生拉絲現象的原因主要為：在模型制作過程中，打印機在計算機控制的非打印狀態下或間隔打印機頭移動時，當噴頭處有殘余材料或回縮功能達不到要求時，就會導致依然有熔融物流出，造成打印模型出現誤差，由于在送料機構的控制下，打印頭中的殘余材料非常少，滴落出來呈現細絲狀，所以稱此現象為拉絲現象[12]。該現象對打印物品的精度造成比較嚴重的影響，因為FDM型3D打印機為逐層打印，通常情況下會使打印模型累積不均勻。針對制作模型時出現的拉絲現象，本文提出如下改進辦法：

A.改進ABS熔融材料。改進后的材料需黏附性好，但黏度低且熱塑性更好，讓噴頭內的打印材料在受熱后成為熔融狀態時的黏附性更好。在正常制作模型時，送料機構將新材料送入噴頭，擠壓噴頭里原有的材料，使其從噴嘴里出來堆積模型。在停止噴頭出料時，在沒有新材料擠壓的情況下，由于ABS熔融材料的黏性更大，同時，噴頭內多余材料相互之間的黏附力大于重力，在力學條件下，多余的一點材料將不會從噴頭滴出來，也就不會出現拉絲現象。

B.改進噴嘴結構。以前常見的噴頭噴嘴處為不影響其內部材料的傳熱效果，噴嘴長度和直徑相差程度較小。在增加材料黏附力的基礎上，再對噴嘴結構進行合理改進，對于噴嘴原來的直徑不做改動，所做的結構變化是將噴嘴的最前端加長，原理為：通過增大噴嘴內壁的面積，進而增大材料向下運動時的摩擦阻力，同時，材料的黏附力也會因為噴嘴內壁面積的增加而增大，更好地阻止了打印材料在停止出料無擠壓力作用下時向下滴落。改進后的噴嘴如圖3所示。

圖3 打印機改進前和改進后的噴嘴Fig.3 The nozzle of printer before and after improvement

改進后的打印機噴嘴內壁面積更大，能使熔融材料更好的附著，在打印機停止出絲時，閥針內腔的多余材料不會因為重力原因而漏出，所做的這一改進在很大程度上改善了噴頭拉絲現象。另外內壁坡度更大，也為噴頭在打印過程中的堵塞問題提供了幫助，在打印時，出料不會因為靠近噴嘴處的熔融材料冷卻凝固而導致噴頭堵塞。

3 結語

本文對于使用ABS塑料的熔融沉積(FDM)型3D打印機在使用時所常見的模型坍塌、開裂，噴頭堵塞、拉絲等影響模型精度的問題進行了分析，包括3D打印機所使用的熔融材料、計算機編程、噴頭結構和打印機機頭的溫度分布，總結了現有結構存在的缺陷，并針對問題和不足在材料、控制和結構等方面提出了改進辦法。優化后的模擬結果表明，在選用較高導熱率材料和最優編程控制的基礎上，改進的噴頭結構增大了整個機頭的平均溫度且使流道的溫度分布趨于均勻，最大溫差顯著減小。噴頭處設置的加熱圈能夠盡量減少溫度的損耗，讓溫度場分布更加均勻，確保熔融材料被擠出時的所需溫度是合適的。本文為熔融沉積(FDM)型3D打印機的普遍性問題提供了實際可行的改進方法，對于工業應用中3D 打印設備的傳熱結構設計及設備改進具有重要意義。

[1] 祝洲杰，沈建云，金濟民.FDM制件的收縮現象分析及控制措施研究[J].制造技術與機床，2016，(12):29-32.

[2] 韓江，王益康，田曉青，等.熔融沉積(FDM)3D打印工藝參數優化設計研究[J].制造技術與機床，2016，(06):139-142，146.

[3] 張學軍，唐思熠，肇恒躍.3D打印技術研究現狀和關鍵技術[J].材料工程，2016，(02):122-128.

[4] 肖亮，馬訓鳴，要義勇.3D打印噴頭的熱力學分析與結構優化設計[J].機械制造，2014，(07):15-18.

[5] 黃子帆，馬躍龍，李俊美，等.熔融沉積成型彩色3D打印機的研究[J].機床與液壓，2017，(04)：21-25.

[6] 盧秉恒，李滌塵.增材制造(3D打印)技術發展[J].機械制造與自動化，2013，(04):1-4.

[7] 李小麗，馬劍雄，李萍.3D打印技術及應用趨勢[J].自動化儀表，2014，(01):1-5.

[8] 張寧寧.基于Hilbert曲線的3D打印精度測試方法研究[J].計量與測試技術，2014，(07):1-3.

[9] 葛慶，汪崟.基于FDM技術的3D打印機擠出機構研究與設計[J].現代電子技術，2016，39(22):100-103，107.

[10] 唐通鳴，張政，鄧佳文，等.基于FDM的3D打印技術研究現狀與發展趨勢[J].化工新型材料，2015，43(06):228-230.

[11] 孫春華.FDM成形件精度預測模型的建立[J].機械科學與技術，2010，(03):399-403.

[12] 桑鵬飛，劉凱，王揚威.熔融沉積成型中的原型翹曲變形分析[J].機械設計與研究，2015，(03):118-120，124.

FDM3Dprinternozzleoptimizationdesign

MIN Chang, LI Jin, SHEN Xin-ming, LIU Jia-li, LIU Yang

(School of Mechanical Automation, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

With the continuous innovation and development of 3D printing technology, it has become the focus of attention of all kinds of different industries, a great influence on the application of social machinery market. In industrial production, 3D printing technology will gradually adapt to the requirements of the times instead of the traditional machine tool production. Although 3D printers are now widely used, continuous improvement in technology innovation and optimization are becoming more sophisticated in terms of printing technology, there are still many problems and shortcomings in the design of printer nozzle. Taking type in FDM 3D printer as example, the common problems occur when printing were analyzed and solutions were proposed based on FDM 3D printer type, and practical solutions to improve the design of some of the problems existing in the head during printing were put forward.

FDM; 3D printing; Nozzle; Improved design

TP334.8

A

1674-8646(2017)21-0010-03

2017-09-19

國家級創新訓練項目“一種新型3D打印機設計與分析”(201610488005)

閔暢(1995-)，男，武漢科技大學機械自動化學院機械類本科在讀學生。