新型3D 打印喷头组件及打印设备设计研究

罗文科，杜文林，李富华

（1.佛山市顺德区陈村职业技术学校，广东佛山 528000；2.广州畅德科技有限公司，广东佛山 528000）

0 引言

3D 打印即3Dimensional Printing，是一种增材制造技术。3D打印是20 世纪80 年代后期发展起来的新型制造技术，它以计算机三维模型为基础，通过软件控制分层制造成型的技术。3D打印技术通常采用数字技术打印机来实现，3D 打印机在医疗、建筑、汽车、航空航天和教育都有广泛应用。常见的3D 打印机喷头在多轴平移组件的驱动下，在X、Y 方向或者在X、Y、Z 方向上移动，进而在不同位置喷出打印耗材，实现以逐层打印的方式来构造物体。

1 提出问题

传统的3D 打印设备在打印过程中，喷头常常会被堵塞，而对打印装置上的喷头进行清理非常不方便，导致工作效率低。为解决上述问题，设计一种新型3D 打印设备和喷头组件。该设备的喷头组件能够方便地从安装座上拆下，从而实现对喷头组件的清洗，有效提升用户的使用体验。同时，本设计中通过增加散热风机的方式实现了打印位置的快速冷却，从而有效提升打印质量。

2 设备构成

本文设计的设备构成如图1～图4 所示。设备由基座、连接部、第一装配部、限位条、定位槽、第一送料通道、限位部、第一连接器、挤料机构、挤出齿轮、挤出辅轮、挤料电机、安装座、第二装配部、第二送料通道、锁紧件、风道、散热槽、第二连接器、喷头、送风机构、第一风机、第二风机、X 轴导轨、第一滑动座、第一驱动杆、Y 轴导轨、第二滑动座、第二驱动杆、皮带平移驱动机构。基座上设置有连接部、第一装配部和第一送料通道，连接部用于与3D 打印设备的平移组件传动连接。挤料机构设置在基座上，与第一送料通道连接。安装座上设置有第二装配部，第二装配部与第一装配部可拆卸连接。喷头设置在安装座上，与第一送料通道连通。在喷头堵塞的时候，可以拆下安装座，对喷头进行清理。当然，也可以更换设置配置其他类型喷头的安装座，从而实现更换不同类型的喷头。喷头与安装座通过卡接、螺纹连接的方式连接，可以在不更换安装座的情况下直接更换喷头。

图1 喷头组件结构

图2 安装座结构

图3 移动定位结构

图4 平移驱动组件和喷头组件结构

送风机构设置在安装座上，向喷头的喷射路径上送风。由于耗材通常是热熔材料，送风机构对喷头喷射耗材的位置送风，从而快速冷却打印完成的位置。为了方便连通第一送料通道与喷头准确连通，第一装配部为设置在基座上的导向轨道，第二装配部与第一装配部滑动配合。安装座上设置有第二送料通道，第二送料通道与喷头连通。

安装座上设置有若干锁紧件，当第二装配部相对第一装配部滑动后，第一送料通道与第二送料通道连通，锁紧件活动穿过安装座并抵压第一装配部。或者，在基座上设置有若干锁紧件，当第二装配部相对第一装配部滑动后，第一送料通道与第二送料通道连通，锁紧件活动穿过基座并抵压第二装配部。

在将安装座安装在移动座上时，将第一装配部与第二装配部滑动配合，然后将第二装配部相对第一装配部滑动，使得第一送料通道与第二送料通道连通，然后移动锁紧件，使得锁紧件抵压在第一装配部，进而将第一装配部和第二装配部锁紧，实现第一送料通道与第二送料通道的相对固定，也实现了安装座和移动座的相互锁紧。拆卸安装座也可以方便地清理第二送料通道。

挤料机构可以根据实际需要选择合适的设计，其包括挤出齿轮、挤出辅轮和挤料电机。挤出齿轮和挤出辅轮分别设置在第一送料通道的两侧，挤料电机与挤出齿轮传动连接，挤出齿轮和挤出辅轮转动一同将第一送料通道内的打印耗材向喷头推挤。挤料机构也可以采用螺杆结构来送料。锁紧件为螺纹锁紧件，也可采用插销等。

为了方便用户确定安装座相对移动座是否移动到位，基座上设置有限位部。用户将第二装配部相对第一装配部滑动后，使第二装配部抵接限位部，此时第一送料通道与第二送料通道连通，从而方便用户确定是否安装座装配到位，方便用户操作。

第一装配部凸出于基座，其两侧分别设置有限位条，使得第一装配部呈T 形。第二装配部为滑槽，其形状与第一装配部的形状相匹配，提高第一装配部和第二装配部的稳定性。安装座的两侧分别设置有锁紧件，第一装配部在其导向方向的两侧分别设置有定位槽，当第二装配部相对第一装配部滑动后，第一送料通道与第二送料通道连通，锁紧件活动穿过安装座，伸入定位槽内。或者在基座的两侧分别设置锁紧件，分别位于第一装配部的导向方向的两侧。第二装配部的两侧分别设置有定位槽，当第二装配部相对第一装配部滑动后，第一送料通道与第二送料通道连通，锁紧件活动穿过基座，伸入定位槽内。定位槽和锁紧件定位配合，避免锁紧件晃动偏移，提高第一送料通道与第二送料通道连通的稳定性。本设计中，定位槽设置在限位条上。

送风机构包括第一风机和第二风机，第一风机向喷头的喷射路径送风，打印位置位于喷头的喷射路径上，第一风机对喷头喷射到打印位置上的耗材进行快速冷却。由于耗材通常采用的是热熔耗材，耗材流经安装座时，很容易导致安装座温度过高。第二风机向第二送料通道送风，从而对安装座位于第二送料通道周围的部分进行冷却，避免安装座过热。

为了引导第一风机的风准确吹向指定的位置，安装座内设置有多个风道。多个风道围绕喷头布置，出风方向朝向喷头的喷射路径。风机与风道一一对应连通，对打印位置上的耗材进行快速冷却。

为了提高安装座的散热性能，安装座上设置有多个散热槽，散热槽围绕第二送料通道布置，第二风机朝向第二送料通道和散热槽送风，从而对安装座进行散热。为了方便送风机构接电，在一些可选的实施方式中，基座上设置有第一连接器，安装座上设置有第二连接器，第二连接器与送风机构电连接，第一连接器与第二连接器电连接。

在本设计中，第一连接器为插拔式的接线端子的母头，第二连接器为插拔式的接线端子的公头。3D 打印设备包括：机架、平移驱动组件以及上述喷头组件。平移驱动组件设置在机架上，与喷头组件的连接部连接，平移驱动组件驱动3D 打印的喷头组件的基座平移。平移驱动组件为2 轴平移驱动组件，其包括设置在机架上的X 轴导轨、与X 轴导轨连接的第一滑动座、设置在第一滑动座上的第一驱动杆、设置在机架上的Y 轴导轨、与Y轴导轨连接的第二滑动座、设置在第二滑动座上的第二驱动杆以及2 个皮带平移驱动机构。第一驱动杆沿Y 轴方向延伸，第二驱动杆沿X 轴方向延伸，2 个皮带平移驱动机构分别与第一滑动座和第二滑动座传动连接。连接部位设置在基座上的第一通孔和第二通孔，第一驱动杆穿过第一通孔，第二驱动杆穿过第二通孔，皮带平移驱动机构驱动第一滑动座沿X 轴移动时，第一滑动座通过第一驱动杆推动基座沿X 轴移动，此时基座通过第二通孔沿着第二驱动杆滑动，皮带平移驱动机构驱动第二滑动座沿Y 轴移动时，第二滑动座通过第二驱动杆推动基座沿Y轴移动，此时基座通过第一通孔沿着第一驱动杆滑动。

3 设备工作流程

3.1 操作流程

本设计的具体操流程是通过基座对挤料机构和安装结构进行连接，设备启动后，3D 打印材料从第一送料通道进入3D打印设备的挤料机构，然后挤料点击通过齿轮带动挤料齿轮和辅轮进行转动，将3D 打印材料通过第二送料通道送到3D打印设备的喷头。在这过程中，位于安装结构的第一风机和第二风机启动。其中第一风机朝向喷头的喷射路径进行送风，使让喷头喷射在打印位置的材料快速冷却。第二风机朝向第二输料通道进行送风，来对第二输料通道进行降温，防止安装座过热。在喷料的过程中平移驱动组件通过X 轴轨道和Y 轴轨道移动位置，通过第一驱动杆来驱动3D 打印设备在X 轴方向移动，通过第二驱动杆来驱动3D 打印设备在Y 轴方向移动，从而实现增材打印。

3.2 优化设计

本文设计的3D 打印设备的喷嘴位置为可拆卸的形式，设备在进行工作的过程中如果喷嘴发生堵塞的情况，可以及时将安装结构从3D 打印设备取下清理。在喷嘴口通过风机送风的方式来降低打印位置的温度，使打印位置能够快速冷却，有效提升打印的质量和效率。同时通过风机对第二输料通道进行降温处理，能够有效降低设备在工作过程中的温度，使设备处于正常工作的温度范围内，从而保证设备不会出现设备温度过高而无法继续工作的情况。

4 结束语

本文设计了一种新型3D 打印喷头组件和打印设备，能够有效地解决传统3D 打印设备在工作过程中容易出现的喷嘴堵塞问题，有效提升3D 打印设备的打印效率。同时将喷嘴位置设计成可拆卸的模式，使用户可以更加方便地清理打印设备的喷嘴位置。