基于FDM技术的3D打印机喷头结构设计

庞飞鹰 玉贵升 周远畅 刘湘东

摘 要 本研究針对熔融层积成型技术（FDM）， 3D打印机打印过程中喷头吐丝不顺畅和喷头堵塞所造成的打印精度下降的问题，分别对送丝部分、加热系统和打印头三个部分进行分析和优化设计，以提高3D打印机的的打印精度。

关键词 熔融层积成型技术（FDM） 喷头 优化设计

中图分类号：TP391.73 文献标识码：A

0前言

熔融层积成型（FDM）技术是将丝状热熔性材料加热融化，通过微细喷嘴将丝材喷出，沉积在前一层已固化的材料上，通过材料的层层堆积形成最终成品。喷头是3D打印机打印零件的关键部件，现有的3D打印机打印过程中喷头吐丝不顺畅和喷头堵塞所造成的产品质量精度问题。针对该问题，FDM工艺3D打印机的喷头部分仍需进一步优化。

1送丝部分设计

目前大部分送丝结构为单驱动轮驱动，驱动轮和从动轮的间距固定，但在实际使用中发现，该结构更换打印材料时不方便，单驱动一旦受到阻力过大喷头内部丝材移动受阻，喷头即会堵住。本设计采用浮动，双驱轮结构送丝；如图1所示，主动轮的表面采用压花，从动轮使用V型槽的结构，增加其摩擦力从而提高驱动力；且该部分添加弹簧预紧装置，便于自动适应直径变化较小的丝状材料。丝材进入喷头结构的入口增加一个小喇叭式开口，避免材料弯曲角度大或是不能正常进入加热通道。使用双驱动轮是为了获得更多的有效的动力，同时选用相同规格的驱动轮，也保证了丝料受力相对均匀，开V型槽可增大摩擦力。

2加热部分设计

加热装置分为加热棒和陶瓷加热装置两种，加热棒加热装置主要由不锈钢外壳、阻丝、绝缘的氧化镁以及引线等组成，氧化镁对电阻丝可以起到固定和防止其导电的作用。加热棒装置可以耐高温、而且体积小不占空间。陶瓷加热装置从内到外分别是发热电阻丝、耐高温陶瓷、保温棉以及不锈钢外壳。陶瓷加热装置外壳有隔热效果，可以抗高温，防腐耐磨。综合两种加热方式且考虑成本因素，最终选择加热棒装置。依据热熔材料所的要求，选用合适规格的加热棒。外形单头加热棒一般分为高功率密度加热棒和中、低功率密度加热棒两种，其中高功率密度的发热区电热管外表面积功率为12至25w/cm2，而中、低功率密度的发热区电热管外表面积功率为5至11 w/cm2，且工作温度在300℃以下。我们常用的丝材保持熔融状态不变质的温度极限是240℃，所以选用中、低功率密度的加热棒。

3挤出部分设计

挤出结构以溶体在流道内能够实现流动顺畅为合理。本文采用活塞式挤出方法，它不仅避免了复杂结构重量，也节约了成本。利用固体材料充当活塞把熔融材料挤出喷头。因为熔融材料都有粘性，经常有残留的原材料在腔道内积流，时间久了就会堵住内腔，不仅会影响模型表面精度还容易出现流涎问题。为了避免这种情况，考虑在挤出机的喉腔内加入一种叫做铁氟龙的材料做内衬。如图2所示。“铁氟龙”这种材料的产品一般统称作"不粘涂层"；它是高分子材料，能抗酸抗碱还能抗有机溶剂等，而且不与其他溶剂相溶；不仅如此，它的组成成分里还含有耐高温的聚四氟乙烯，且其摩擦系数非常低，可以起到很好的润滑效果。这些特性可以有效避免腔道内原材料堆积的问题。

4散热部分设计

散热结构也是在熔丝过程中提高打印效率和质量不可忽视的一个重要部分。熔丝加热温度达到230℃，能够把相应的材料融化，但倘若散热做的不够好使得步进电机工作温度超过130℃就很容易出现退磁和失步的现象。现有的散热结构有的是添加小风扇，或是增加方形或环形散热片的散热结构。但当前的散热片的高度大多都在35-45mm，散热片装置一般都安装在加热快之上，这样既不利于缩短输送材料至挤出喷头的距离。本文对散热片的参数进行调整优化，如图3所示，考虑要减小送丝距离，将环形散热片数设为6片，每个翘片厚度1mm；间隔1.5mm；翘片的高度5mm；散热片基座厚度3mm。缩小占用空间，保证送丝的过程正常、稳定。

5结论

本文对喷头结构进行了优化设计，采用双驱轮结构送丝，主动轮的表面采用压花，从动轮使用V型槽的结构，增加其摩擦力从而提高驱动力；且该部分添加弹簧预紧装置，便于自动适应直径变化较小的丝状材料。在加热装置增加一个铁氟龙的材料做内衬，增加其流动性避免堆积堵塞。适当减少散热片的高度，缩短了丝材到喷头的送丝的距离。该基于FDM技术的桌面式3D打印机的送丝结构是通过增加送丝的驱动力和相应的通道稳定进丝的过程，再通过加热装置将固态丝料融化。熔融状态的材料通过丝材推力作用流入喷头并挤出。主要简化了结构的复杂性，解决熔融材料沉积堵塞挤出不稳的问题，以提高3D打印机的打印精度。

参考文献

[1] 万巍.熔融沉积型快速成型制作中的问题分析、研究和解决[J].河北工业科技，2012，29（06）：376-380.

[2] 刘斌，吴明星，谢毅.熔融挤压快速成型系统的喷头结构分析[J].广州：华南理工大学，2009：71-75.

[3] 张自强.基于FDM技术3D打印机的设计与研究[D].长春：长春工业大学，2015.