挤出式FDM 3D 打印喷头的优化设计

帕提古丽·艾合麦提，乌日开西·艾依提，艾尔肯·亥木都拉

（新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047）

1 引言

3D 打印技术也被称为快速成型技术或增材制造技术，是利用逐层堆积的原理制作任意复杂形状的一种制造技术。因具有不受零件复杂程度的限制，能够快速制造出三维实体模型的优势，在制造、建筑、医学、艺术等领域得到了越来越多的应用[1]。目前主流的3D打印方式有：熔融沉积成形（Fused Deposition Modeling，FDM）[2]、激光烧选区结（Selective Laser Sintering，SLS）[4]、光固化立体成形（Stereolithography Apparatus，SLA）[5]、分层实体制造（Layered Object Manufacturing，LOM）[6]、电子束选区熔化（Electron Beam selective Melting，EBM）[7]、激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）[8]、激光工程化净成形（LaserEngineeredNetShaping，LENS）[9]等。

FDM 技术是目前最为普及的3D 打印技术，结构简单，价格相对便宜[3]。基本原理为熔融状态的材料通过某种方式将其挤出，随着工作台的运动，挤出的半流体状态的材料凝固后逐层成型。常用的材料有PLA（聚乳酸），ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）等。商品化的设备多采用丝材，丝材进喷头融化后由刚进入喷头尚处在固态的丝将前面已经进入喷头被加热为半流体状态的丝推出。当用颗粒、粉末状材料时，常用螺杆式挤出结构、气动式挤出结构、活塞式挤出结构等三种打印方式。螺杆式挤出结构适合于颗粒性材料，打印过程可加材料，推进力稳定，但螺旋杆比较复杂，价格贵[10]；气动式挤出结构简单，但气压不好控制，不适合黏度大的材料[11]；活塞式挤出结构简单，挤出过程稳定，但当材料用完时要停下来加材料[12]。

在生物3D 打印中，常用的PCL（聚己内酯），PLLA（左旋聚乳酸）等材料多为颗粒、粉末材料，而且有时候会根据需要加入少量陶瓷粉等材料改善性能，而满足这样要求的丝材不易制备。通常生物3D 打印制备的聚合物人工骨、人工神经导管等植入物，体积通常较小、数量少，而且材料的黏度比较大，因此适合用活塞式结构。

2 3D 打印喷头结构设计

2.1 加热部分的设计

加热部分通过采取加热棒进行加热。加热套材料拟选用45钢和7075 铝合金进行对比分析。喷头的结构，如图1 所示。在加热套中间有材料腔用于装聚合物材料，通过推杆的下压运动挤出熔融的材料。在加热套体上有平行于3D 打印喷头轴线的孔，用于安装加热棒。加热套外径预设为60mm，高度为65mm。

图1 喷头结构示意图Fig.1 Diagrammatic Sketch of Nozzle

2.2 挤出部分配合间隙的选择

推杆外径与加热套材料腔内孔的配合是非常关键的参数，若配合间隙过小，推杆会卡住；若间隙过大，材料会从推杆与材料腔的间隙处溢出。若采用密封圈，长期的高温会导致密封圈融化粘在推杆及材料腔周边，使密封圈失效。而且由于喷头的工作温度在150℃以上，由于热膨胀，在高温时的推杆和材料腔的间隙还可能会发生变化，因此必须使推杆与材料腔的内孔在工作温度条件下具有合适的配合间隙。此外，加热套与推杆的材料、尺寸、不同的热膨胀系数等参数会都影响到材料的挤出效果。

初步设定了直径为10mm 和20mm 的两种材料腔内孔进行对比，根据机械设计手册[13]，考虑材料的膨胀系数不同、需要经常拆卸、用手轻推装配方式等因素选择了推杆与材料腔内孔的配合间隙范围，直径为10mm 的推杆与材料腔的配合间隙范围为（0.025～0.069）mm，直径为20mm 的推杆与材料腔的配合间隙范围为（0.04～0.106）mm。

2.3 建立温度场数值模拟分析模型

加热套初选7075 铝合金和45 钢两种材料进行分析。首先用UG 三维软件根据结构进行建模，如图1 所示。考虑在加工加热套时，是先采用钻孔和铰孔的工艺加工出材料腔的内孔，加工出的孔径通常会大于铰刀的公称直径。故在建模时将加热腔的孔径分别预设为10.05mm 和20.05mm，与之相对应的推杆直径预设为10.00mm 和20.00mm。热分析主要涉及材料的热导率，膨胀系数等，由于喷嘴、推杆及加热套部分相对于整体温度场域，面积较小，所以在喷嘴、推杆、加热套进行网格细分，可以保证较高的计算精度。针对本3D 打印机喷头的工作环境，选择加热棒加热温度设为150 ℃，室温为22℃。模拟材料设定，如表1 所示。划分网格后的加热套和推杆的分析模型，如图2 所示。

表1 参数的设定Tab.1 Parameter Setting

图2 加热套与推杆的网格划分模型Fig.2 Meshed models of Heating Sleeve and Push Rod

3 喷头温度场分析

对7075 铝合金和45 钢两种不同材料、不同加热条件的加热套进行温度场分析，分析方案，如表2 所示。分析结果，如表3所示。表3 所示材料腔边缘温度指图3 中方案1 的剖视图中的虚线箭头（Ⅰ）所示横截面温度，喷嘴边缘温度指实线箭头（Ⅱ）所示横截面温度。

表2 加热套分析方案Tab.2 Heating Jacket Analysis Plan

图3 加热套不同方案的温度场模拟Fig.3 Temperature Simulation of Different Heating Jacket

通过对图3 所示的温度场分布云图及表3 所示的喷头各部分的温度分布范围分析结果，可以看出方案3，即加热套采用7075 铝合金、材料腔直径为10.05mm、采用3 根加热棒的方案，能够使加热套的温度分布更为均匀、温差最小，而且在喷嘴处的温度最高，有利于材料的连续平稳挤出。

4 喷头部件的热变形分析

由于加热套为7075 铝合金，推杆为45 钢，二者热胀系数不同，为了分析在150℃的工作温度下，加热套和推杆的热变形对配合间隙的影响，对方案3 中的加热套和推杆的支具进行了热变形分析。在图3 所示的温度场分析结果上，在材料腔内壁上，平行于材料腔轴线做一条变形路径，根据水平坐标的变化可得到材料腔内壁的变形量。与此对应，在推杆外圆表面做一条与推杆轴线平行的变形路径，且该路径的选区位置与材料腔的变形路径对应，通过此路径根据水平坐标的变化可得到推杆外圆的变形量，如图4 所示。

图4 材料腔及推杆直径变化Fig.4 Diameter of Material and Push Rod of Heating Sleeve

表3 加热套不同方案的模拟温度范围Tab.3 Temperature Range of Different Schemes for Heating Jacket

所测得的分析模型的材料腔内径与推杆外径的最大变形量、配合间隙，如表4 所示。根据模拟分析方案3 进行温度上的加载。加热到150℃时，加热套的变形分布，如图4 所示。沿材料腔直径方向做一个路径线进行分析。对材料腔及推杆进行变形测量，如表4 所示。实测变形跟模拟的变形吻合。配合间隙在查机械设计手册得到的范围（0.025～0.069）mm 之内。

表4 材料腔与推杆直径变化的模拟结果Tab.4 Simulation Results of Push Rod and Material Control Deformation

5 实验验证

按照方案3 的结构制作了打印喷头，在车床上先加工出加热套的外圆部分，再加工材料腔，钻Φ9.7mm 的孔后用Φ10mm机铰刀铰孔，用内径千分表测得测孔径为Φ10.050mm。推杆外圆精车加工，用螺旋千分尺测得推杆直径为Φ9.990mm。

5.1 喷嘴温度变化测试

用喷头的温控加热装置将喷头加热至150℃，采用Thermo-Vision A40 红外热像仪对喷头底面进行测温，分析喷嘴的温度，测温结果，如图5 所示。因装有隔热套可看出仅有喷头、螺钉、热电偶头部等露出的部分温度高。图5 中测温点Sp1 位于喷嘴出口边，当加热棒温度为150℃时，Sp1 的实测温度为147.8℃，对应点的模拟温度148.39℃，实测温度和模拟温度的偏差为0.59℃，表明温度场模拟结果与实际吻合度高。

图5 喷头的红外测温结果Fig.5 Infrared Thermometer Result of Nozzle

5.2 材料腔与推杆直径的变形测量

将推杆放入材料腔中，当加热套被加热到150℃后保持一分钟，将推杆迅速抽出后用螺旋千分尺快速测量推杆直径，再将推杆放入材料腔中保持一分钟，如此往复测量三个截面。将推杆取出后用内径千分表测量加热套材料腔的三个截面直径，实验测量结果，如表5 所示。

表5 材料腔与推杆直径变形的实验测量结果Tab.5 Experimental Results of Deformation of Push rod and Material Cavity

从测量结果可以看出，材料腔内孔的热变形量略大于推杆直径的热变形量，主要是因为加热套为铝合金，热膨胀系数高于推杆的材料45 钢，在150℃时的实测配合间隙仍在预设的（0.025～0.069）mm 之内。

5.3 材料挤压测试

PCL 颗粒材料放入材料腔进行加热，当温度达到150℃时开始控制推杆下压。挤出过程平稳，出丝连续，无阻塞、抖动、无未融化材料等情况，如图6 所示。观察材料腔与推杆周围没有材料从配合面溢出现象，说明设计的间隙在合理范围内，满足使用要求。

图6 挤压测试实验Fig.6 Extrusion Test

6 结论

对一种挤出式FDM 3D 打印喷头结构进行优化设计。通过数值模拟，红外测温以及实验验证等方法对设计方案进行验证，主要结论如下：（1）建立有限元分析模型分析不同材料、不同材料腔孔径、不同加热棒数量的8 个加热套结构方案的温度分布规律，分析结果表明材料为7075 铝合金、材料腔直径为10mm、三个加热棒的方案优于其它方案。（2）根据最优方案制作了3D 打印喷头，推杆为45 钢，加热套为7075 铝合金。采用数值模拟的方法进行温度场和热变形分析，同时采用ThermoVision A40 红外热像仪对喷头的喷嘴部分进行测温。测温结果表明，实测和模拟温度偏差为0.59℃，温度场模拟结果与实际吻合度高。150℃时实测的材料腔与推杆的配合间隙为0.068mm，在预设范围之内。（3）采用PCL材料加热至150℃进行挤出实验，挤出过程平稳，出丝连续，无阻塞、抖动、无未融化材料等情况。材料腔与推杆周围没有材料从配合面溢出现象，表明二者配合间隙合理，满足使用要求。