擠出式FDM 3D 打印噴頭的優化設計

帕提古麗·艾合麥提，烏日開西·艾依提，艾爾肯·亥木都拉

（新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

1 引言

3D 打印技術也被稱為快速成型技術或增材制造技術，是利用逐層堆積的原理制作任意復雜形狀的一種制造技術。因具有不受零件復雜程度的限制，能夠快速制造出三維實體模型的優勢，在制造、建筑、醫學、藝術等領域得到了越來越多的應用[1]。目前主流的3D打印方式有：熔融沉積成形（Fused Deposition Modeling，FDM）[2]、激光燒選區結（Selective Laser Sintering，SLS）[4]、光固化立體成形（Stereolithography Apparatus，SLA）[5]、分層實體制造（Layered Object Manufacturing，LOM）[6]、電子束選區熔化（Electron Beam selective Melting，EBM）[7]、激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）[8]、激光工程化凈成形（LaserEngineeredNetShaping，LENS）[9]等。

FDM 技術是目前最為普及的3D 打印技術，結構簡單，價格相對便宜[3]。基本原理為熔融狀態的材料通過某種方式將其擠出，隨著工作臺的運動，擠出的半流體狀態的材料凝固后逐層成型。常用的材料有PLA（聚乳酸），ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）等。商品化的設備多采用絲材，絲材進噴頭融化后由剛進入噴頭尚處在固態的絲將前面已經進入噴頭被加熱為半流體狀態的絲推出。當用顆粒、粉末狀材料時，常用螺桿式擠出結構、氣動式擠出結構、活塞式擠出結構等三種打印方式。螺桿式擠出結構適合于顆粒性材料，打印過程可加材料，推進力穩定，但螺旋桿比較復雜，價格貴[10]；氣動式擠出結構簡單，但氣壓不好控制，不適合黏度大的材料[11]；活塞式擠出結構簡單，擠出過程穩定，但當材料用完時要停下來加材料[12]。

在生物3D 打印中，常用的PCL（聚己內酯），PLLA（左旋聚乳酸）等材料多為顆粒、粉末材料，而且有時候會根據需要加入少量陶瓷粉等材料改善性能，而滿足這樣要求的絲材不易制備。通常生物3D 打印制備的聚合物人工骨、人工神經導管等植入物，體積通常較小、數量少，而且材料的黏度比較大，因此適合用活塞式結構。

2 3D 打印噴頭結構設計

2.1 加熱部分的設計

加熱部分通過采取加熱棒進行加熱。加熱套材料擬選用45鋼和7075 鋁合金進行對比分析。噴頭的結構，如圖1 所示。在加熱套中間有材料腔用于裝聚合物材料，通過推桿的下壓運動擠出熔融的材料。在加熱套體上有平行于3D 打印噴頭軸線的孔，用于安裝加熱棒。加熱套外徑預設為60mm，高度為65mm。

圖1 噴頭結構示意圖Fig.1 Diagrammatic Sketch of Nozzle

2.2 擠出部分配合間隙的選擇

推桿外徑與加熱套材料腔內孔的配合是非常關鍵的參數，若配合間隙過小，推桿會卡住；若間隙過大，材料會從推桿與材料腔的間隙處溢出。若采用密封圈，長期的高溫會導致密封圈融化粘在推桿及材料腔周邊，使密封圈失效。而且由于噴頭的工作溫度在150℃以上，由于熱膨脹，在高溫時的推桿和材料腔的間隙還可能會發生變化，因此必須使推桿與材料腔的內孔在工作溫度條件下具有合適的配合間隙。此外，加熱套與推桿的材料、尺寸、不同的熱膨脹系數等參數會都影響到材料的擠出效果。

初步設定了直徑為10mm 和20mm 的兩種材料腔內孔進行對比，根據機械設計手冊[13]，考慮材料的膨脹系數不同、需要經常拆卸、用手輕推裝配方式等因素選擇了推桿與材料腔內孔的配合間隙范圍，直徑為10mm 的推桿與材料腔的配合間隙范圍為（0.025～0.069）mm，直徑為20mm 的推桿與材料腔的配合間隙范圍為（0.04～0.106）mm。

2.3 建立溫度場數值模擬分析模型

加熱套初選7075 鋁合金和45 鋼兩種材料進行分析。首先用UG 三維軟件根據結構進行建模，如圖1 所示。考慮在加工加熱套時，是先采用鉆孔和鉸孔的工藝加工出材料腔的內孔，加工出的孔徑通常會大于鉸刀的公稱直徑。故在建模時將加熱腔的孔徑分別預設為10.05mm 和20.05mm，與之相對應的推桿直徑預設為10.00mm 和20.00mm。熱分析主要涉及材料的熱導率，膨脹系數等，由于噴嘴、推桿及加熱套部分相對于整體溫度場域，面積較小，所以在噴嘴、推桿、加熱套進行網格細分，可以保證較高的計算精度。針對本3D 打印機噴頭的工作環境，選擇加熱棒加熱溫度設為150 ℃，室溫為22℃。模擬材料設定，如表1 所示。劃分網格后的加熱套和推桿的分析模型，如圖2 所示。

表1 參數的設定Tab.1 Parameter Setting

圖2 加熱套與推桿的網格劃分模型Fig.2 Meshed models of Heating Sleeve and Push Rod

3 噴頭溫度場分析

對7075 鋁合金和45 鋼兩種不同材料、不同加熱條件的加熱套進行溫度場分析，分析方案，如表2 所示。分析結果，如表3所示。表3 所示材料腔邊緣溫度指圖3 中方案1 的剖視圖中的虛線箭頭（Ⅰ）所示橫截面溫度，噴嘴邊緣溫度指實線箭頭（Ⅱ）所示橫截面溫度。

表2 加熱套分析方案Tab.2 Heating Jacket Analysis Plan

圖3 加熱套不同方案的溫度場模擬Fig.3 Temperature Simulation of Different Heating Jacket

通過對圖3 所示的溫度場分布云圖及表3 所示的噴頭各部分的溫度分布范圍分析結果，可以看出方案3，即加熱套采用7075 鋁合金、材料腔直徑為10.05mm、采用3 根加熱棒的方案，能夠使加熱套的溫度分布更為均勻、溫差最小，而且在噴嘴處的溫度最高，有利于材料的連續平穩擠出。

4 噴頭部件的熱變形分析

由于加熱套為7075 鋁合金，推桿為45 鋼，二者熱脹系數不同，為了分析在150℃的工作溫度下，加熱套和推桿的熱變形對配合間隙的影響，對方案3 中的加熱套和推桿的支具進行了熱變形分析。在圖3 所示的溫度場分析結果上，在材料腔內壁上，平行于材料腔軸線做一條變形路徑，根據水平坐標的變化可得到材料腔內壁的變形量。與此對應，在推桿外圓表面做一條與推桿軸線平行的變形路徑，且該路徑的選區位置與材料腔的變形路徑對應，通過此路徑根據水平坐標的變化可得到推桿外圓的變形量，如圖4 所示。

圖4 材料腔及推桿直徑變化Fig.4 Diameter of Material and Push Rod of Heating Sleeve

表3 加熱套不同方案的模擬溫度范圍Tab.3 Temperature Range of Different Schemes for Heating Jacket

所測得的分析模型的材料腔內徑與推桿外徑的最大變形量、配合間隙，如表4 所示。根據模擬分析方案3 進行溫度上的加載。加熱到150℃時，加熱套的變形分布，如圖4 所示。沿材料腔直徑方向做一個路徑線進行分析。對材料腔及推桿進行變形測量，如表4 所示。實測變形跟模擬的變形吻合。配合間隙在查機械設計手冊得到的范圍（0.025～0.069）mm 之內。

表4 材料腔與推桿直徑變化的模擬結果Tab.4 Simulation Results of Push Rod and Material Control Deformation

5 實驗驗證

按照方案3 的結構制作了打印噴頭，在車床上先加工出加熱套的外圓部分，再加工材料腔，鉆Φ9.7mm 的孔后用Φ10mm機鉸刀鉸孔，用內徑千分表測得測孔徑為Φ10.050mm。推桿外圓精車加工，用螺旋千分尺測得推桿直徑為Φ9.990mm。

5.1 噴嘴溫度變化測試

用噴頭的溫控加熱裝置將噴頭加熱至150℃，采用Thermo-Vision A40 紅外熱像儀對噴頭底面進行測溫，分析噴嘴的溫度，測溫結果，如圖5 所示。因裝有隔熱套可看出僅有噴頭、螺釘、熱電偶頭部等露出的部分溫度高。圖5 中測溫點Sp1 位于噴嘴出口邊，當加熱棒溫度為150℃時，Sp1 的實測溫度為147.8℃，對應點的模擬溫度148.39℃，實測溫度和模擬溫度的偏差為0.59℃，表明溫度場模擬結果與實際吻合度高。

圖5 噴頭的紅外測溫結果Fig.5 Infrared Thermometer Result of Nozzle

5.2 材料腔與推桿直徑的變形測量

將推桿放入材料腔中，當加熱套被加熱到150℃后保持一分鐘，將推桿迅速抽出后用螺旋千分尺快速測量推桿直徑，再將推桿放入材料腔中保持一分鐘，如此往復測量三個截面。將推桿取出后用內徑千分表測量加熱套材料腔的三個截面直徑，實驗測量結果，如表5 所示。

表5 材料腔與推桿直徑變形的實驗測量結果Tab.5 Experimental Results of Deformation of Push rod and Material Cavity

從測量結果可以看出，材料腔內孔的熱變形量略大于推桿直徑的熱變形量，主要是因為加熱套為鋁合金，熱膨脹系數高于推桿的材料45 鋼，在150℃時的實測配合間隙仍在預設的（0.025～0.069）mm 之內。

5.3 材料擠壓測試

PCL 顆粒材料放入材料腔進行加熱，當溫度達到150℃時開始控制推桿下壓。擠出過程平穩，出絲連續，無阻塞、抖動、無未融化材料等情況，如圖6 所示。觀察材料腔與推桿周圍沒有材料從配合面溢出現象，說明設計的間隙在合理范圍內，滿足使用要求。

圖6 擠壓測試實驗Fig.6 Extrusion Test

6 結論

對一種擠出式FDM 3D 打印噴頭結構進行優化設計。通過數值模擬，紅外測溫以及實驗驗證等方法對設計方案進行驗證，主要結論如下：（1）建立有限元分析模型分析不同材料、不同材料腔孔徑、不同加熱棒數量的8 個加熱套結構方案的溫度分布規律，分析結果表明材料為7075 鋁合金、材料腔直徑為10mm、三個加熱棒的方案優于其它方案。（2）根據最優方案制作了3D 打印噴頭，推桿為45 鋼，加熱套為7075 鋁合金。采用數值模擬的方法進行溫度場和熱變形分析，同時采用ThermoVision A40 紅外熱像儀對噴頭的噴嘴部分進行測溫。測溫結果表明，實測和模擬溫度偏差為0.59℃，溫度場模擬結果與實際吻合度高。150℃時實測的材料腔與推桿的配合間隙為0.068mm，在預設范圍之內。（3）采用PCL材料加熱至150℃進行擠出實驗，擠出過程平穩，出絲連續，無阻塞、抖動、無未融化材料等情況。材料腔與推桿周圍沒有材料從配合面溢出現象，表明二者配合間隙合理，滿足使用要求。