FDM型3D打印机喷头优化设计
闵 畅，李 锦，沈新明，刘佳丽，刘 洋
【摘 要】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。 【期刊名称】黑龙江科学 【年(卷),期】2017(008)021 【总页数】4
【关键词】 FDM；3D打印；喷头；改进设计
3D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]。
A.控制装置主要对喷头的整个工作过程提供信号控制，控制电力、动力和由计算机编码控制的打印轮廓，保证熔料能顺利地从喷嘴挤出。
B.送料机构是将熔融材料从进料口传输至料筒，将材料按照所设定的进料速率进入喉管组件，并为热端组件中的材料顺利从喷嘴处的小直径孔挤出提供一定的动力。
C.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消散达到冷却效果。
D.制冷装置的主要功能是采用磁制冷原理与喉管冷却组件进行热交换。 E.喉管组件则是打印材料的传输通道，将喷头热端组件和喉管冷却组件用螺纹结构进行连接。
F.喷头热端组件的结构功能就是将打印材料加热，使其由固态变为熔融状态，较为先进的一项技术就是其特殊的结构可以使熔融状态的打印材料在被挤出喷头进行分层打印时迅速冷却凝固[4]。
本文主要针对喷头阀针和喷头热端组件的相关问题缺陷和不足来进行分析，进而改进其结构功能。图1为喷头部分的结构框架。
3D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进行信号控制，将固态料丝送入送料机构，进而送料机构将熔融材料从进料口传输至料筒，将材料按照所设定的进料速率进入喉管冷却组件，喉管冷却组件对喉管组件进行冷却，接下来喉管组件将喷头热端组件和喉管冷却组件用螺纹结构进行连接，而喷头热端组件的结构功能是将打印材料加热，使其由固态变为熔融状态的料丝[5]。
2 喷头问题分析及设计改进
2.1 模型坍塌、开裂原因及其解决办法
在FDM型3D打印机进行模型打印时，因采用逐层打印的方式，当模型横截面积变化过快时或当某一部分横截面积过小，尤其是模型底部的横截面积太小，这样非常容易造成打印模型坍塌[6]。对于打印过程中出现的坍塌现象及其发生原因，本文提出如下解决办法：
在制作模型之前，先对控制打印机动作的程序编写进行改进，主要改进前处理软件的程序，首先要设置一个模型坡度的最大坡度值和最小横截面积值，计算
FDM型3D打印机喷头优化设计
