FDM型3D打印机喷头优化设计

第8卷第21期黑龙江科学V282017年11月HEILONGJIANGSCIENCENovember2017FDM型3D打印机喷头优化设计闵畅，李錦，沈新明，刘佳丽，刘洋(武汉科技大学机械自动化学院，武汉430081)摘要：随着3D打印技术的不断创新与发展，其已成为各类不同行业关注的热点，在社会应用机械类市场上的影响力很大，发展势头十分迅猛。在工业生产方面,3D打印技术也将逐渐顺应时代要求代替传统的机床模具生产。尽管3D打印机目前应用广泛，在科技创新中不断改进与优化，在打印技术方面也逐渐趋于成熟，但在打印机喷头设计方面仍存在着诸多问题与不足，以FDM型3D打印机为例，在打印过程中容易出现打印模型坍塌、开裂，喷头堵塞、拉丝等普遍性问题。本文基于FDM型3D打印机，对喷头在打印时出现的这些常见问题进行分析并提出解决办法，同时对现有喷头打印过程中出现的部分问题提出切实可行的改进设计方案。关键词！FDM;3D打印；喷头；改进设计中图分类号：TP334.8文献标志码：A文章编号：1674-8646(2017)21-0010-03FDM3Dprinternozzleoptimizationdesij»nMINChang，LIJin，SHENXin-ming，LIUJia-li，LIUYang(SchoolofMechanicalAutomation，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China)Abstract:Withthecontinuousinnovationanddevelopmentof3Dprintingtechnology，ithasbecomethefocusofattentionofallkindsofdifferentindustries，agreatinfluenceontheapplicationofsocialmachinerymarket.Inindustrialproduction，3Dprintingtechnologywillgradualyadapttotherequirementsofthetimesinsteadofthetraditionalmachinetoolproduction.Although3Dprintersarenowwidelyused，continuousimprovementintechnologyinnovationandoptimizationarebecomingmoresophisticatedintermsofprintingtechnology，therearestillmanyproblemsandshortcomingsinthedesignofprinternozle.TakingtypeinFDM3Dprinterasexample，thecommonproblemsoccurwhenprintingwereanalyzedandsolutionswereproposedbasedonFDM3Dprintertype，andpracticalsolutionstoimprovethedesignofsomeoftlieproblemsexistingintheheadduringprintingwereputforward.Keywords：FDM；3Dprinting；Nozzle；Improveddesign3D打印技术自20世纪80年代问世以来，二三十年间在其设计与创新上不断进步与发展，尤其在当前的智能制造领域，极具发展前景。现有打印方式以及类型有:熔融沉积（FDM)型、分层实体制造型、激光烧结型，等等，本文以熔融沉积（FDM)型3D打印机为例。FDM型打印机是目前市场上应用最为广泛的打印机类型，可采用不同的材料进行3D实体成型打印，在很多场合都能看到3D打印，这门技术从最开始被创造之时对人们的潜移默化到现在逐渐被大家所熟知，普遍应用在社会生产与实际生活中。熔融沉积（FDM)型3D打印技术属于高效实体成型技术中的一种[1]。该技术在传统制造思路上进行创新，不断超越传统生产制造模式，在生产效率和经收稿日期=2017-09-19基金项目：国家级创新训练项目“一种新型3D打印机设计与分析”（201610488005)作者简介:闵畅（1995-)，男，武汉科技大学机械自动化学院机械类本科在读学生。济效益上成果显著。在众多打印机型中，熔融沉积(FDM)型打印技术因其在生产制造中成型速度快、节省材料且操作便捷等一系列优点，成为目前市场上运用最为广泛的3D打印技术[2]。尽管3D打印技术应用广泛、发展迅速且不断创新，在打印技术方面也趋于成熟，但3D打印依然存在诸多问题与不足，尤其体现在打印机喷头设计方面。在3D打印机不断影响智能设备市场的前提条件下，其在工作状态时出现的各类问题都亟待解决，本文就以FDM型3D打印机喷头易出现的打印模型坍塌、开裂，喷头堵塞、拉丝等问题进行分析说明，并提出可行性的改进措施。1喷头结构与功能喷头是打印机完成熔融沉积成型的核心零部件，根据打印要求的不同可自行选择单喷头或者双喷头，本文针对喷头较为常见的普遍性问题，因此选择单喷头进行分析说明。FDM型快速成型设备的喷头结构一般由控制装置、送料机构、喉管冷却组件、制冷装置、喉管组件和喷头热端组件等结构组成[3]。10.控制装要对喷头的整个工作过程：信号控制，控制电力、动力和由计算控制的打廓，保熔料能喷嘴挤出。B.送料机构熔融材料料料筒，材料按照定的进料管组件，热端组件中的材料喷嘴处的小直径孔挤出一定的力。0喉管冷却组件就是冷却喉管组件的装置，主要是通过热传导来加快热达到冷却效果。N制冷装置的主要功能是采制冷原理与喉管冷却组件热交换。E.喉管组件打印材料的通道，将喷头热端组件和喉管冷却组件纹结构接。喷头热端组件的结构功能就打印材料加热，使其由固态熔态，先的技术就其的结构可以使熔态的打印材料在被挤出喷打印时冷却[4]。要针对喷头阀针和喷头热端组件的相关问题和不足来析，进而改进其结构功能。图1喷的结构。图1喷头结构框架Fig.1Nozzlestructureframe3D打印机工作时，喷头处的固态料丝在其内部的整个工作流程为:首先控制装置对送料机构、制冷装置及热端组件等号控制，态料丝送入送料机构，而送料构熔材料料料，材料照定的料管冷却件，管冷却组件对喉管组件冷却，接下来喉管组件将喷热端件和管冷却件纹结构接，而喷头热端组件的结构功能打印材料加热，使其由态熔态的料丝[5]。2喷头问题分析及设计改进1模型坍塌、开裂原因及其解决办法FDM型3D打型打印时，因采用逐打印的方式，当型横截积变化过快时或当截面积过小，尤其型的横截面积，非常容易造成打型[=]。对打印过程出现的现象及其发生原因，本文提出如下解决$制作模型，先对控制打作的程改，要改件的程，先要一个模型坡度的最大坡度值和截面积值，计算机对范、生成截后，当打印过程中达范围以及程后生际加工路径时，型外性平面。由性平型的外部，对有模型的打印结果产生，制作模型时，逐打印的下层就包含了两个，型和性，这两部都制作后，模型已经冷却达到稳定状态，在上层打印时下层稳定，大程度上改型的变，问题相较以往改善。型开裂是由际打印时，模型体积过大或的长度过长，模型就可能打印过程裂开，这是因为FDM型打逐层堆积体模型时实现-液-固的变化过程。关的问题在于液体在被喷出时，要靠冷却条件打印时态，进而积型该有的[%]。时由于材料受到热胀冷因素的，因液态冷却后态的模型易产生一定程度的，而决收的材料，尽量型发生较大，防止当模型承受能力达到极限程度时发生裂开的严重问题[8]。堵塞问题及设计改施际生活应，3D打喷头出现堵塞的情况非常常见，这与熔材料、人工调节和喷头结构等都有一定的关系。熔沉积打印的材料有金属、塑料和等，从外条件析，当材料加热融化后质均匀、度达格要求时，就容易导致打堵塞。FDM型3D打熔融材料挤出温度调节、挤出力调节以及进料调节等人为因素，也对喷头造[9]。而的是打的因素:热流道及温度均。当喷热效果不佳时，就导致的熔^质流通，进而造成打喷头堵塞，而热佳主要由于温度源与喷的距离过远或是喷头零件的连接和密封性，定程度上造成热损耗[1$]。对材料质地和黏稠度等问题，可以通过改进熔融材料并配以的机型来解决问题。要对喷头热端组件的不足改计，结以上的析结果，在喷材和结构上做出的改进。喷以往常用的材料，定程度上，铝青度、耐磨性、抗腐蚀性等都占有，在导热性能相其材料，其导热〖56_/(m•K)。其原有特性的前提条件11下，增大喷头的导热性能，采强度、耐蚀、防腐、抗磨抗性能优越且导热性能好的沉淀硬化型，其导热率&105W/(m•K)，同时也具有的耐寒性和无磁性，更容易应和复杂的环境条件[11]。结构上，喷可采用整体的形式，图2为对喷结构上的改进。喷结构的零件和连接件，为改其传热效果，降打印机工作时发生的热损耗，可以在整个喷头的外热圈，以补热过程的温度损耗，保证熔质的稳定流动。来常用的喷头结构对比，改进后的喷头结构化，加热喷头周围的温度均匀，使其热流道的距离，在很大程度上改善了热损耗，隔热保温性能大大提O。2.3拉丝问题及设计改进措施3D打问题，打印过程中打印模型上出现需要的塑料丝。产生现象的原因主要为：型制作过程中，打计算机控制的非打印状态下或打时，当喷有残余材料或回能达要求时，就导致依然有熔’流出，造打型出现，由送料机构的控制下，打的材料非常少，滴落出来呈现细丝状，以现现象[12]。该现象对打品的精度造成比较严重的影响，因为FDM型3D打印机逐层打印，通常情况下打型累积不均匀。针对制作模型时出现的现象，出如下改进$.改进ABS熔融材料。改进后的材料需黏附性，度热塑性，让喷的打印材料在受热后熔态时的性。在正常制作模型时，送料机构材料送入喷头，喷有的材料，使其从喷嘴里出来堆积模型。在停止喷头出料时，有新材料的情况下，由ABS熔材料的黏性更大，同时，喷材料相的力大于重力，在力学条件下，的一点材料喷头滴12出来，也就不会出现拉丝现象。B.改进喷嘴结构。以常见的喷头喷嘴’不其材料的传热效果，喷嘴长度和直径相差程度。在增材料力的基础上，再对喷嘴结构改，对喷嘴来的径改，的结构变化喷嘴的端加长，：通过增大喷嘴内壁的面积，进而增大材料向下运动时的力，时，材料的力因为喷嘴积的增加而增大，止打印材料在停止出料无力作下时向下滴落。改后的喷嘴如图3所示。图3打印机改进前和改进后的喷嘴Fig.3Thenozzleofprinterbeforeandafterimprovement改进后的打印机喷嘴内壁面积更大，能使熔融材料的附着，在打停止出丝时，阀的多余材料因重力因而出，的改大程度上改喷现象。另外度更大，喷打印过程中的堵塞问题，在打时，出料因为靠近喷嘴处的熔融材料冷却而导致喷头堵塞。3结语本文对于使用ABS塑料的熔融沉积（FDM#型3D打时所常见的模型、开裂，喷堵塞、等型精度的问题析，3D打的熔融材料、计算程、喷结构和打印的温度，总结了现有结构存在的，并针对问题和不足在材料、控制和结构等出了改进。化后的结果，高导热率材料和程控制的基础上，改的喷头结构增大了整个的平均温度流道的温度均匀，最大温减小。喷的加热圈能量减温度的损耗，让温度均匀，确保熔融材料被挤出时的所需温度的。熔融沉积(FDM#型3D打的性问题际可行的改，对工业应3D打备的传热结构计及设备改进具有重要意义。参考文献：[1]祝洲杰，沈建云，金济民.FDM制件的收缩现象分析及控制措施研究[-•制造技术与机床，2016，（12):29-32.(下转第15页）表2五大连池火山堰塞湖表层沉积物中重金属的潜在生态危害系数'和危害指数RITab.2EJ.andRIofhea^metalinsedimentsofvolcanodammedlakeinWudalianchiCuZnPbCdA-N4.530.863.077.62B-N3.380.752.654.74C-N2.960.783.125.58D