熔融沉积3D打印机的喷头机构优化设计

马志刚

摘   要：3D打印是一种新兴的实体制造技术。文章主要是针对喷嘴挤出机构进行了优化分析，对打印机X，Y和Z方向上的喷头位移定位精度进行了计算，并分析了喷嘴结构对熔融态聚合物丝材在挤出机构内部流动行为的影响，利用数值仿真手段分析了压力—聚合物流动速度之间的关系，优化了聚合物在喷嘴内的流动特性，验证了喷嘴形状和结构参数对打印精度的影响。

关键词：3D打印机;熔融沉积;喷头机构

三维打印（Three Dimensional Printing，3D）是一种新兴的实体制造技术。3D打印将信息技术、材料技术、机械科学、控制技术、生物技术等相融合，通过数字化控制打印方式将材料进行逐层叠加，从而实现三维实体的增材制造。在3D打印机各机构中，喷嘴机构对打印质量起着至关重要的作用。

1    喷嘴挤出机构挤出方式

在熔融沉积FDM 3D打印机中，喷嘴挤出机构是所有机构中的关键一环，对打印质量和打印机的整机性能有着直接影响。喷嘴挤出机构主要由喷嘴、送丝机构、加热结构、散热结构等部分组成。

根据挤出方式的不同，喷嘴挤出机构主要可以分为螺旋式挤出机构和柱塞式挤出机构两种类型。柱塞式挤出机构结构简单，能够降低挤出机构的重量，隔热措施容易安装，但是丝材在打印中容易堵塞;螺旋式挤出机构挤出过程稳定，打印速度高，但是体积大、成本高、喷头重[1]。

对比两种喷嘴挤出机构，柱塞式结构简单、体积小，甚至能满足桌面级3D打印机的要求，所以本设计选择柱塞式挤出机构[2-3]。柱塞式挤出机构组成部分主要包括：加热模块、散热风扇、环形散热片、测温电偶以及喷嘴。工作原理是以加热腔内的丝材未熔融的固体部分将被加热至熔融状态的丝材向前推进，固体部分作用类似柱塞，从而使熔融状态的丝材由喷嘴挤出[4]。

由于打印材料为高聚物，在熔融状态下具有很强的黏性，导致加热腔的流道内会有部分丝材残留累积，容易堵塞挤出机构，所以为使丝材在加热腔的流道内不出现累积，要求丝材在喷嘴上部不能呈熔融态。可在流道内部插入铁氟龙软管，利用其表面不黏性、耐高温等物理特性保证丝材在流道内前进的流畅性，避免堵塞问题的发生。

2    喷嘴挤出机构结构设计

在实际工作中，对于不同的打印件的结构，挤出机构需要对部分打印件进行结构填充与支撑部分的打印，有的打印内部支撑，有的打印外部填充，还有的两者同时打印。填充与支撑的打印虽然能够提升打印结构的稳定性，但也会使成型时间增加，降低打印效率。所以，在满足成型条件的情况下，要尽量缩短加工时间，并且尽量减小支撑结构。这样既减少材料的消耗，又缩短加工时间。零件在打印成型以后需要将辅助支撑去除掉一部分，将其内部填充在打印件内部，所以在支撑结构强度保证合格的条件下，内部填充结构的喷嘴直径与用来成型辅助支撑结构，可以大于打印零件模型的喷嘴直径，这样，打印效率得以提高。文章中挤出机构的设计将表面成形部分、内部填充部分以及外部支撑部分的层厚加以区分。辅助支撑层的厚度设置为3n，打印件外表面层的厚度设置为n，则内部填充层的厚度也设置为3n。

将打印模型按照上述层厚设置进行切片处理，打印机工作过程中挤出机构的运动情况有以下几种。

（1）切片数据对于挤出机构进行控制，依据切片对打印件表面进行打印，打印层的层数为3。

（2）切片数据对于挤出机构进行控制，分别对内部填充和辅助支撑两部分进行打印，打印层的层数为1。

（3）挤出机构按照上述两步骤进行循环式打印，直到得到最终的完成品。

根据以上算法，打印机的挤出机构喷嘴数量应该为3个。在这3个喷嘴中，打印内部填充与辅助支撑成型的喷嘴出丝口直径要大，而打印工件外表面成型的喷嘴的出丝口处的直径要小，同时与打印外表面成型的喷嘴出丝口直径成倍数关系。

该方式能够在保证成型精度的同时，按照成型部分不同，设定不同层厚，减少成型所需时间。

据此，在设计挤出机构时，对于喷嘴有以下两个要求：（1）负责打印工件外表面的喷嘴直径大于负责打印外部支撑和内部填充的喷嘴直径。（2）需要对不同的尺寸组合进行优化，选取效果最好的一组。

熔融态丝材的运动特性受会到喷嘴内部加热器尺寸参数的影响，并且与喷嘴外径及内径尺寸、锥形过度圆角等因素有关。可以利用有限元软件对已建立好的不同加热腔流道模型进行分析，并对得到的相关数据进行记录和分析。加热腔内部直径固定为2 mm，锥形过度角度始终保持60°，使打印速度保持恒定，流道外部直径为变量[5]。

在加热腔内径保持不变的情况下，丝材在内部的融化时间越长，所用的加热喷嘴外部直径尺寸越大，融化段的长度越长。但是，当加热腔喷嘴直径太小时，会致使热腔内壁与丝材的表面接触部分的区太小，通过这样的参数制造出来的加热腔壁面结构过薄，会使给丝材提供的热量不充足。当打印速度保持不变，加热腔外部直径保持6 mm不变，锥形过度角度恒为60°，而使加热腔内径为变量，研究丝材受到加热腔内径的影响。

丝材在内部的融化时间越短，所用的加热喷嘴内部直径尺寸越大，融化段的长度越短[6]。加热腔的渐变角对融化段长度影响较大，如果想要建立不同大小的模型进行模拟分析，就要改变渐变角的角度大小，软件分析出在不同渐变角下丝材完全熔融下的融化段长度。将锥形过度圆角采用不同数值，其他结构参数保持相同，发现加热腔内渐变角度大小会影响熔融段的长度。渐变角越大，丝材融化时间越长，熔融段长度越小。

3    喷嘴挤出机构空间布局形式设计

喷嘴挤出机构在空间上有3种布局形式：（1）直线型布局。（2）等边三角形布局。（3）直角三角形型布局。其中，两种三角形布局结构比较复杂，占用空间较大，同时在控制策略及算法上较为繁琐，很大程度上增加了熔融沉積3D打印机的设计成本和制造成本。因此，为了降低成本，缩短打印周期，提高打印效率，本设计选择直线型结构作为喷嘴挤出机构的空间布局形式。在实际打印过程中，通过对X，Y轴导轨的控制使其协同运动，实现不同喷嘴的位置变换。通过喷嘴间的协同运动，可对打印模型进行外壳打印、内部填充、辅助支撑打印。该结构既能够保证打印速度，也能够提高零件的打印精度。

三喷嘴挤出机构相关数据为：长130 mm，宽90 mm，高75 mm，质量1 500 g，表面粗糙度100 μm，打印速度125 mm/s。

三喷嘴挤出结构和其他单喷嘴3D打印机对比来说，它的挤出结构长度大，但重量轻，送丝方式的差别是主要原因。三喷嘴挤出机构优势在于3个喷嘴之间既有分工又有协作。所以，产品的打印精度得到了提升，同时表面精度也得到了相应改善。

[参考文献]

[1]杜文军，刘轶，杜银学，等.大型FDM三维打印机的研制[J].金属加工（热加工），2016（5）：50-52.

[2]AW Y Y，YEOH C K，IDRIS M A，et al.Effect of printing parameters on tensile， dynamic mechanical， and thermoelectric properties of FDM 3D Printed CABS/ZnO composites[J].Materials，2018（4）：23-25.

[3]BENWOOD C，ANSTEY A，ANDRZEJEWSKI J，et al.Improving the impact strength and heat resistance of 3D printed models：structure， property， and processing correlationships during fused deposition modeling（FDM）of Poly（lactic acid）[J].Acs Omega，2018（4）：4400-4411.

[4]蔡馮杰.基于3D打印技术的涤纶纤维增强复合材料制备及其力学性能研究[D].杭州：浙江理工大学，2018.

[5]陈继民，王文椿，姜缪文，等.柱坐标式FDM 3D打印机的研制[J].北京工业大学学报，2017（6）：814-818.

[6]HAIDIEZUL A H M，AIMAN A F，et al. Surface finish effects using coating method on 3D printing （FDM）parts[C].Malacca：Malaysian Technical Universities Conference on Engineering and Technology，2017.