FDM工業機風冷系統的設計

張 樂，馬 睿

（寧夏共享集團股份有限公司，寧夏銀川750021）

FDM簡稱為熔融沉積成型，是用高溫將材料熔化成液態，通過擠出頭擠出后固化，最后在立體空間內排列成立體實物。FDM是3D打印技術中的一種，所以他的基本原理與3D打印是一樣的，采用層疊堆積方式，將固體顆粒或者固體絲狀物通過一個裝置進行加熱，使其變成液體再從擠出頭擠出冷卻成固體[1]。鋪完第一層以后，第二層剛剛熔化出來的固體會與第一層粘接成型，每成型一次，工作臺下降一個高度或者打印頭提高一個高度，繼續熔融沉積，最終完成整體的實體造型。市面上最為常見的是FDM桌面機，因其價格低廉而被廣泛制作，但其材料成本高，打印效率低，因此，FDM工業機被制作，用于模具制造、藝術設計等多種場所[2]。

1 FDM現有風冷的缺點

FDM工業機區別于桌面機在于使用的是顆粒料，通過把顆粒狀的PLA材料加入到一個有一定空間的型腔中，通過加熱裝置對型腔加熱，同時擠壓熔融狀態的PLA材料，通過打印頭擠出，打印裝置按照程序設定移動，完成模具的一層輪廓后用同樣的方法打印第二層輪廓、第三層輪廓等，最后形成完整的模具，如圖1所示。

圖1 FDM成型原理圖

FDM在打印的過程中由于材料需要盡快散熱，下一層堆積在上一層才不會塌陷[3]。因此目前市面上常見的FDM都會安裝吹風系統，一般為風扇或者電吹風，如圖2。但其缺點在于：（1）本體結構大，不利于FDM本身輕巧機械結構的設計；（2）風速不可調整，無論任何結構都使用同樣的風量，不利于產品的成型，造成產品的塌陷或者堆積；（3）單面吹風，產品是360°運行的，因此會造成散熱不均勻的現象發生進而導致產品單邊塌陷單邊支撐，影響產品質量。

圖2 現有風冷系統結構

2 風冷系統結構設計

針對前面提到的一系列問題，自行設計的風冷系統主要包括以下幾大結構：環形風嘴；三角接頭；風管；自動風速調節閥。

其中，環形風嘴的直徑略大于擠出頭直徑，固定于擠出頭上端，風嘴由銅管彎制而成，在銅管底部間隔3mm左右鉆0.5mm～1mm的孔，主要用于壓縮空氣的圓周擴散；三角接頭兩端與銅管的兩端首尾相接，另外一端直接和風管相接，其作用主要是將壓縮空氣分流至環形風嘴；風速自動調節閥安裝在風管中間部位，和程序相對應，受程序控制，根據產品的需求自動調節風速，進而實現產品打印過程中風速的自動控制[4，5]。設計結構如圖3。

圖3 FDM風冷結構設計

3 FDM風冷系統工作流程

FDM風冷系統的工作流程如圖4所示：零件開始打印，底層時不吹風，保證底層與工作臺的粘結性。第二層開始吹風，通過風速調節閥將風速調至打印完成后上層不會塌陷即可。在打印完底層開始鋪網格層的時候，風速降低，保證零件不塌陷。到距離頂層1～2層時，調節風速變大，讓內部網格線條充分支撐，以便于封頂。打印頂層的前兩層的時候，風速與上部網格保持相同，保證支撐完全能夠填充整個模型，頂層的后幾層則需要吹小風，保證充分的粘接性。所有風速調節都通過風速調節儀完成，風速調節儀與程序綁定，可通過程序判斷何時需要吹怎樣的風并自動調節，最終實現整體的打印。

4 結語

圖4 FDM風冷系統工作流程

目前，此風冷結構已經在我公司實現了規模化的使用，360度吹風設計，僅需要一個風管即可實現，不占用空間，節省成本，能有效保證產品在每個角度都可以得到均勻的風速控制，并根據產品的不同層高進行風速調節，優化產品質量。使得我們的FDM產品向市場化推廣奠定了新的基礎。