基于FDM技術的3D打印機噴頭結構設計

龐飛鷹 玉貴升 周遠暢 劉湘東

摘 要 本研究針對熔融層積成型技術（FDM）， 3D打印機打印過程中噴頭吐絲不順暢和噴頭堵塞所造成的打印精度下降的問題，分別對送絲部分、加熱系統和打印頭三個部分進行分析和優化設計，以提高3D打印機的的打印精度。

關鍵詞 熔融層積成型技術（FDM） 噴頭 優化設計

中圖分類號：TP391.73 文獻標識碼：A

0前言

熔融層積成型（FDM）技術是將絲狀熱熔性材料加熱融化，通過微細噴嘴將絲材噴出，沉積在前一層已固化的材料上，通過材料的層層堆積形成最終成品。噴頭是3D打印機打印零件的關鍵部件，現有的3D打印機打印過程中噴頭吐絲不順暢和噴頭堵塞所造成的產品質量精度問題。針對該問題，FDM工藝3D打印機的噴頭部分仍需進一步優化。

1送絲部分設計

目前大部分送絲結構為單驅動輪驅動，驅動輪和從動輪的間距固定，但在實際使用中發現，該結構更換打印材料時不方便，單驅動一旦受到阻力過大噴頭內部絲材移動受阻，噴頭即會堵住。本設計采用浮動，雙驅輪結構送絲；如圖1所示，主動輪的表面采用壓花，從動輪使用V型槽的結構，增加其摩擦力從而提高驅動力；且該部分添加彈簧預緊裝置，便于自動適應直徑變化較小的絲狀材料。絲材進入噴頭結構的入口增加一個小喇叭式開口，避免材料彎曲角度大或是不能正常進入加熱通道。使用雙驅動輪是為了獲得更多的有效的動力，同時選用相同規格的驅動輪，也保證了絲料受力相對均勻，開V型槽可增大摩擦力。

2加熱部分設計

加熱裝置分為加熱棒和陶瓷加熱裝置兩種，加熱棒加熱裝置主要由不銹鋼外殼、阻絲、絕緣的氧化鎂以及引線等組成，氧化鎂對電阻絲可以起到固定和防止其導電的作用。加熱棒裝置可以耐高溫、而且體積小不占空間。陶瓷加熱裝置從內到外分別是發熱電阻絲、耐高溫陶瓷、保溫棉以及不銹鋼外殼。陶瓷加熱裝置外殼有隔熱效果，可以抗高溫，防腐耐磨。綜合兩種加熱方式且考慮成本因素，最終選擇加熱棒裝置。依據熱熔材料所的要求，選用合適規格的加熱棒。外形單頭加熱棒一般分為高功率密度加熱棒和中、低功率密度加熱棒兩種，其中高功率密度的發熱區電熱管外表面積功率為12至25w/cm2，而中、低功率密度的發熱區電熱管外表面積功率為5至11 w/cm2，且工作溫度在300℃以下。我們常用的絲材保持熔融狀態不變質的溫度極限是240℃，所以選用中、低功率密度的加熱棒。

3擠出部分設計

擠出結構以溶體在流道內能夠實現流動順暢為合理。本文采用活塞式擠出方法，它不僅避免了復雜結構重量，也節約了成本。利用固體材料充當活塞把熔融材料擠出噴頭。因為熔融材料都有粘性，經常有殘留的原材料在腔道內積流，時間久了就會堵住內腔，不僅會影響模型表面精度還容易出現流涎問題。為了避免這種情況，考慮在擠出機的喉腔內加入一種叫做鐵氟龍的材料做內襯。如圖2所示。“鐵氟龍”這種材料的產品一般統稱作"不粘涂層"；它是高分子材料，能抗酸抗堿還能抗有機溶劑等，而且不與其他溶劑相溶；不僅如此，它的組成成分里還含有耐高溫的聚四氟乙烯，且其摩擦系數非常低，可以起到很好的潤滑效果。這些特性可以有效避免腔道內原材料堆積的問題。

4散熱部分設計

散熱結構也是在熔絲過程中提高打印效率和質量不可忽視的一個重要部分。熔絲加熱溫度達到230℃，能夠把相應的材料融化，但倘若散熱做的不夠好使得步進電機工作溫度超過130℃就很容易出現退磁和失步的現象。現有的散熱結構有的是添加小風扇，或是增加方形或環形散熱片的散熱結構。但當前的散熱片的高度大多都在35-45mm，散熱片裝置一般都安裝在加熱快之上，這樣既不利于縮短輸送材料至擠出噴頭的距離。本文對散熱片的參數進行調整優化，如圖3所示，考慮要減小送絲距離，將環形散熱片數設為6片，每個翹片厚度1mm；間隔1.5mm；翹片的高度5mm；散熱片基座厚度3mm。縮小占用空間，保證送絲的過程正常、穩定。

5結論

本文對噴頭結構進行了優化設計，采用雙驅輪結構送絲，主動輪的表面采用壓花，從動輪使用V型槽的結構，增加其摩擦力從而提高驅動力；且該部分添加彈簧預緊裝置，便于自動適應直徑變化較小的絲狀材料。在加熱裝置增加一個鐵氟龍的材料做內襯，增加其流動性避免堆積堵塞。適當減少散熱片的高度，縮短了絲材到噴頭的送絲的距離。該基于FDM技術的桌面式3D打印機的送絲結構是通過增加送絲的驅動力和相應的通道穩定進絲的過程，再通過加熱裝置將固態絲料融化。熔融狀態的材料通過絲材推力作用流入噴頭并擠出。主要簡化了結構的復雜性，解決熔融材料沉積堵塞擠出不穩的問題，以提高3D打印機的打印精度。

參考文獻

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