基于FDM技术的3D打印机喷头结构设计

—科教导刊（电子版）·2018年第22期/8月（上）—274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（桂林电子科技大学机电综合工程训练中心国家级实验教学示范中心广西·桂林541004）摘要本研究针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：A0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送丝部分设计图1：送丝部分结构图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11w/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挤出部分设计图2：挤出部分结构图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（下转第295页）科|学|技|术—科教导刊（电子版）·2018年第22期/8月（上）—2953.1.1受力构件由于竹在长度方向上抗拉、抗压能力较好，且富有韧性与弹性，抗弯能力也很强，不易折断。因此，在一些简易房屋的构造中可将竹材作为受力构件。一般用较粗的竹秆或竹秆束作房屋的梁、柱、椽等承重材料，屋顶、墙壁、天花板则采用竹片拼接而成。这种直接由竹秆建造的房屋，由于竹秆形状为圆形，尺寸误差较大，竹秆力学强度有限，因此只能用于结构简单，承重力小的受力构件。3.1.2脚手架在世界范围内，以竹材作为建筑施工的脚手架已有较长的历史，甚至在现代高层建筑施工中仍在继续使用。竹材建筑脚手架主要利用大型单竹(如毛竹等)的竹秆，主要由立秆、斜秆、顶撑和大秆组成。其构造形式一般采用双排竹秆，用竹浅、麻绳或铁丝绑扎，可高达几十层，每层横向用竹脚手板联系以供交通运输之用，在中国、印度、泰国等东南亚国家得到广泛应用。与钢脚手架相比，竹脚手架有较强的抗风能力，但由于竹材径级尺寸的变异性较大，其搭建和拆卸都不如钢脚手架方便、快捷。3.2竹材人造板3.2.1竹材胶合板竹材胶合板是以带沟槽的等厚竹片为其构成单元，按相邻层相互垂直组坯成对称结构的板坯，热压胶合而成的一种竹材人造板。竹材胶合板强度高，刚性好，可以大大降低建筑物的自重，是一种优良的工程结构材料，可用于屋顶或外墙覆面、楼面底板、楼面、墙面装饰面板等，但由于竹材胶合板生产工艺复杂、设备投入量大、工艺过程难以控制、对原料的要求高，因此其发展受到了一定的限制。3.2.2竹材刨花板将低质或速生材加工成长形薄刨花，拌胶后按一定的方向排列压制成刨花板。外层刨花与板的长度方向水平，内层刨花则随机铺设或互相交叉。其特点是单向强度高，刚性大，具有较强的耐水性以及较低的膨胀率。它是代替木材人造板和夹心板作为预制房屋墙体、隔断和门板的较好材料，并可用于屋顶或外墙覆面、楼面底板等。3.2.3竹材层压板竹材层压板是用一定规格的竹篾，经干燥、浸胶、干燥、组坯、热压胶合而成的一种竹材人造板。竹材层压板的纵向强度和刚度很高，但横向强度很低，其结构类似于重组木，一般作为工程结构材料。在预制房屋制造中可努力发挥其力学特点，用于横梁、柱体、门板、楼梯扶手和承重墙体等所受荷载较大或要求较高部件的制造。可代替大量钢材水泥和木质人造板。3.2.4竹建筑用混凝土模板竹建筑用混凝土模板以竹席或竹帘为主要原料，通过浸胶、干燥、组坯、热压等竹材胶合层积板工艺生产。比钢模板重量轻，单模面积大，施工方便；比木模板强度高，使用寿命长，吸水率低，几乎无膨胀和收缩；比塑模板成本低、无污染，可避免破坏性的森林砍伐和能源污染。4竹建筑材料的前景除了在传统的基础上利用竹材外，竹子还被开发出了更多、更新的用途，“以竹代木”成为国内外木材业的发展方向。利用现代复合、重组技术，以竹材为原料替代木材制造各种性能优良的高档建筑材料，满足不同房屋及其结构组件的性能要求。此类建筑材料的开发及应用，将为处于贫困状态的广大产竹区人民提供一条新的致富之路，势必成为竹材利用新的发展方向。在政府和国际组织对竹材发展的积极推动下，竹子作为绿色建材在建筑业的应用必将会有的广阔的发展前景。理|论|广|角（上接第274页），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。图3：散热部分结构图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。基金项目：国家级大学生创新训练计划项目“基于FDM技术的五轴联动多维3D打印机的研制”（编号：201610595052）。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.