FDM型3D打印機(jī)噴頭優(yōu)化設(shè)計

閔 暢，李 錦，沈新明，劉佳麗，劉 洋

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院，武漢 430081)

FDM型3D打印機(jī)噴頭優(yōu)化設(shè)計

閔 暢，李 錦，沈新明，劉佳麗，劉 洋

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院，武漢 430081)

隨著3D打印技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，其已成為各類不同行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，在社會應(yīng)用機(jī)械類市場上的影響力很大，發(fā)展勢頭十分迅猛。在工業(yè)生產(chǎn)方面，3D打印技術(shù)也將逐漸順應(yīng)時代要求代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)床模具生產(chǎn)。盡管3D打印機(jī)目前應(yīng)用廣泛，在科技創(chuàng)新中不斷改進(jìn)與優(yōu)化，在打印技術(shù)方面也逐漸趨于成熟，但在打印機(jī)噴頭設(shè)計方面仍存在著諸多問題與不足，以FDM型3D打印機(jī)為例，在打印過程中容易出現(xiàn)打印模型坍塌、開裂，噴頭堵塞、拉絲等普遍性問題。本文基于FDM型3D打印機(jī)，對噴頭在打印時出現(xiàn)的這些常見問題進(jìn)行分析并提出解決辦法，同時對現(xiàn)有噴頭打印過程中出現(xiàn)的部分問題提出切實可行的改進(jìn)設(shè)計方案。

FDM；3D打印；噴頭；改進(jìn)設(shè)計

3D打印技術(shù)自20世紀(jì)80年代問世以來，二三十年間在其設(shè)計與創(chuàng)新上不斷進(jìn)步與發(fā)展，尤其在當(dāng)前的智能制造領(lǐng)域，極具發(fā)展前景。現(xiàn)有打印方式以及類型有：熔融沉積 (FDM) 型、分層實體制造型、激光燒結(jié)型，等等，本文以熔融沉積 (FDM) 型 3D打印機(jī)為例。FDM型打印機(jī)是目前市場上應(yīng)用最為廣泛的打印機(jī)類型，可采用不同的材料進(jìn)行3D實體成型打印，在很多場合都能看到3D打印，這門技術(shù)從最開始被創(chuàng)造之時對人們的潛移默化到現(xiàn)在逐漸被大家所熟知，普遍應(yīng)用在社會生產(chǎn)與實際生活中。

熔融沉積 (FDM) 型3D 打印技術(shù)屬于高效實體成型技術(shù)中的一種[1]。該技術(shù)在傳統(tǒng)制造思路上進(jìn)行創(chuàng)新，不斷超越傳統(tǒng)生產(chǎn)制造模式，在生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益上成果顯著。在眾多打印機(jī)型中，熔融沉積 (FDM) 型打印技術(shù)因其在生產(chǎn)制造中成型速度快、節(jié)省材料且操作便捷等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為目前市場上運(yùn)用最為廣泛的3D打印技術(shù)[2]。盡管3D打印技術(shù)應(yīng)用廣泛、發(fā)展迅速且不斷創(chuàng)新，在打印技術(shù)方面也趨于成熟，但3D打印依然存在諸多問題與不足，尤其體現(xiàn)在打印機(jī)噴頭設(shè)計方面。在3D打印機(jī)不斷影響智能設(shè)備市場的前提條件下，其在工作狀態(tài)時出現(xiàn)的各類問題都亟待解決，本文就以FDM型3D打印機(jī)噴頭易出現(xiàn)的打印模型坍塌、開裂，噴頭堵塞、拉絲等問題進(jìn)行分析說明，并提出可行性的改進(jìn)措施。

1 噴頭結(jié)構(gòu)與功能

噴頭是打印機(jī)完成熔融沉積成型的核心零部件，根據(jù)打印要求的不同可自行選擇單噴頭或者雙噴頭，本文針對噴頭較為常見的普遍性問題，因此選擇單噴頭進(jìn)行分析說明。FDM型快速成型設(shè)備的噴頭結(jié)構(gòu)一般由控制裝置、送料機(jī)構(gòu)、喉管冷卻組件、制冷裝置、喉管組件和噴頭熱端組件等結(jié)構(gòu)組成[3]。

A.控制裝置主要對噴頭的整個工作過程提供信號控制，控制電力、動力和由計算機(jī)編碼控制的打印輪廓，保證熔料能順利地從噴嘴擠出。

B.送料機(jī)構(gòu)是將熔融材料從進(jìn)料口傳輸至料筒，將材料按照所設(shè)定的進(jìn)料速率進(jìn)入喉管組件，并為熱端組件中的材料順利從噴嘴處的小直徑孔擠出提供一定的動力。

C.喉管冷卻組件就是冷卻喉管組件的裝置，主要是通過熱傳導(dǎo)來加快熱消散達(dá)到冷卻效果。

D.制冷裝置的主要功能是采用磁制冷原理與喉管冷卻組件進(jìn)行熱交換。

E.喉管組件則是打印材料的傳輸通道，將噴頭熱端組件和喉管冷卻組件用螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。

F.噴頭熱端組件的結(jié)構(gòu)功能就是將打印材料加熱，使其由固態(tài)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，較為先進(jìn)的一項技術(shù)就是其特殊的結(jié)構(gòu)可以使熔融狀態(tài)的打印材料在被擠出噴頭進(jìn)行分層打印時迅速冷卻凝固[4]。

本文主要針對噴頭閥針和噴頭熱端組件的相關(guān)問題缺陷和不足來進(jìn)行分析，進(jìn)而改進(jìn)其結(jié)構(gòu)功能。圖1為噴頭部分的結(jié)構(gòu)框架。

圖1 噴頭結(jié)構(gòu)框架Fig.1 Nozzle structure frame

3D打印機(jī)工作時，噴頭處的固態(tài)料絲在其內(nèi)部的整個工作流程為：首先控制裝置對送料機(jī)構(gòu)、制冷裝置及熱端組件等進(jìn)行信號控制，將固態(tài)料絲送入送料機(jī)構(gòu)，進(jìn)而送料機(jī)構(gòu)將熔融材料從進(jìn)料口傳輸至料筒，將材料按照所設(shè)定的進(jìn)料速率進(jìn)入喉管冷卻組件，喉管冷卻組件對喉管組件進(jìn)行冷卻，接下來喉管組件將噴頭熱端組件和喉管冷卻組件用螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，而噴頭熱端組件的結(jié)構(gòu)功能是將打印材料加熱，使其由固態(tài)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)的料絲[5]。

2 噴頭問題分析及設(shè)計改進(jìn)

2.1 模型坍塌、開裂原因及其解決辦法

在FDM型3D打印機(jī)進(jìn)行模型打印時，因采用逐層打印的方式，當(dāng)模型橫截面積變化過快時或當(dāng)某一部分橫截面積過小，尤其是模型底部的橫截面積太小，這樣非常容易造成打印模型坍塌[6]。對于打印過程中出現(xiàn)的坍塌現(xiàn)象及其發(fā)生原因，本文提出如下解決辦法：

在制作模型之前，先對控制打印機(jī)動作的程序編寫進(jìn)行改進(jìn)，主要改進(jìn)前處理軟件的程序，首先要設(shè)置一個模型坡度的最大坡度值和最小橫截面積值，計算機(jī)對這些單邊范圍進(jìn)行設(shè)置、生成截面信息后，當(dāng)打印過程中達(dá)到臨界范圍以及在編程后生成實際加工路徑時，將會自動在模型外添加輔助性平面。由于輔助性平面添加在模型的外部，將不會對原有模型的打印結(jié)果產(chǎn)生影響，這樣在制作模型時，逐層打印的下面一層就包含了兩個部分，即模型部分和輔助性部分，這兩部分都制作完成后，模型部分已經(jīng)冷卻達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在上層打印時下層穩(wěn)定，將從很大程度上改善模型的變形坍塌，此類問題相較以往得到明顯改善。

模型開裂是由于在進(jìn)行實際打印時，模型體積過大或某一方向的長度過長，模型就可能會在打印過程中裂開，這是因為FDM型打印機(jī)在逐層堆積成實體模型時實現(xiàn)了固-液-固的變化過程。關(guān)鍵的問題在于液體在被噴頭擠出時，要依靠冷卻條件在分層打印時凝固成固態(tài)，進(jìn)而堆積成為三維模型該有的形狀[7]。此時由于材料受到熱脹冷縮這一物理因素的影響，因此從液態(tài)冷卻后到固態(tài)的模型很容易產(chǎn)生一定程度的變形，而解決辦法是選擇收縮率較小的最優(yōu)材料，盡量避免模型發(fā)生較大變形，防止當(dāng)模型承受能力達(dá)到極限程度時發(fā)生裂開的嚴(yán)重問題[8]。

2.2 堵塞問題及設(shè)計改進(jìn)措施

在實際生活應(yīng)用中，3D打印機(jī)噴頭出現(xiàn)堵塞的情況非常常見，這與熔融材料、人工調(diào)節(jié)和噴頭結(jié)構(gòu)等都有一定的關(guān)系。用于熔融沉積打印的材料有金屬、塑料和樹脂等，從外界條件進(jìn)行分析，當(dāng)材料加熱融化后質(zhì)地不均勻、黏稠度方面達(dá)不到合格要求時，就容易導(dǎo)致打印機(jī)機(jī)頭堵塞。FDM型3D打印機(jī)熔融材料擠出溫度調(diào)節(jié)、擠出壓力調(diào)節(jié)以及進(jìn)料松緊調(diào)節(jié)不合適等人為因素，也對噴頭造成不良影響[9]。而本文討論的是打印機(jī)本身的內(nèi)部因素：熱流道及溫度場分布不均勻。當(dāng)噴頭傳熱效果不佳時，就會導(dǎo)致內(nèi)部的熔融物質(zhì)流通不順暢，進(jìn)而造成打印機(jī)噴頭堵塞，而機(jī)頭傳熱不佳主要由于溫度源與噴頭之間的距離過遠(yuǎn)或是噴頭部分零件的連接不緊湊和密封性不好，在一定程度上造成熱損耗[10]。

針對材料質(zhì)地和黏稠度等問題，可以通過改進(jìn)熔融材料并配以合適的機(jī)型來解決此類問題。本文主要針對噴頭熱端組件的不足進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，結(jié)合以上的分析結(jié)果，在噴頭選材和結(jié)構(gòu)上做出合理的改進(jìn)。噴頭以往比較常用的材料為鋁青銅，在一定程度上，鋁青銅在剛度、耐磨性、抗腐蝕性等方面都占有優(yōu)勢，在導(dǎo)熱性能方面相比于其他合金材料較差，其導(dǎo)熱率為56 W/(m·K)。在不影響其原有特性優(yōu)勢的前提條件下，進(jìn)一步增大噴頭的導(dǎo)熱性能，采用強(qiáng)度、耐蝕、防腐、抗磨抗沖擊性能優(yōu)越且導(dǎo)熱性能好的沉淀硬化型合金鈹青銅，其導(dǎo)熱率≥105 W/(m·K)，同時也具有很好的耐寒性和無磁性，更容易適應(yīng)各種惡劣和復(fù)雜的環(huán)境條件[11]。在結(jié)構(gòu)上，噴頭可采用整體的形式，圖2為對噴頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。

圖2 改進(jìn)噴頭的二維圖Fig.2 Improved two-dimensional nozzle

噴頭部分結(jié)構(gòu)的零件和連接件較少，為改善其傳熱效果，降低打印機(jī)工作時發(fā)生的熱損耗，可以在整個噴頭的外部設(shè)置加熱圈，以更好彌補(bǔ)在傳熱過程中的溫度損耗，保證熔融物質(zhì)的穩(wěn)定流動。與原來常用的噴頭結(jié)構(gòu)對比，改進(jìn)后的噴頭結(jié)構(gòu)更加簡化，加熱圈將噴頭周圍的溫度場分布更加均勻，使其內(nèi)部熱流道的距離縮短，在很大程度上改善了熱損耗，隔熱保溫性能大大提高。

2.3 拉絲問題及設(shè)計改進(jìn)措施

3D打印機(jī)拉絲問題，即在打印過程中打印模型上出現(xiàn)多余且不需要的塑料絲。產(chǎn)生拉絲現(xiàn)象的原因主要為：在模型制作過程中，打印機(jī)在計算機(jī)控制的非打印狀態(tài)下或間隔打印機(jī)頭移動時，當(dāng)噴頭處有殘余材料或回縮功能達(dá)不到要求時，就會導(dǎo)致依然有熔融物流出，造成打印模型出現(xiàn)誤差，由于在送料機(jī)構(gòu)的控制下，打印頭中的殘余材料非常少，滴落出來呈現(xiàn)細(xì)絲狀，所以稱此現(xiàn)象為拉絲現(xiàn)象[12]。該現(xiàn)象對打印物品的精度造成比較嚴(yán)重的影響，因為FDM型3D打印機(jī)為逐層打印，通常情況下會使打印模型累積不均勻。針對制作模型時出現(xiàn)的拉絲現(xiàn)象，本文提出如下改進(jìn)辦法：

A.改進(jìn)ABS熔融材料。改進(jìn)后的材料需黏附性好，但黏度低且熱塑性更好，讓噴頭內(nèi)的打印材料在受熱后成為熔融狀態(tài)時的黏附性更好。在正常制作模型時，送料機(jī)構(gòu)將新材料送入噴頭，擠壓噴頭里原有的材料，使其從噴嘴里出來堆積模型。在停止噴頭出料時，在沒有新材料擠壓的情況下，由于ABS熔融材料的黏性更大，同時，噴頭內(nèi)多余材料相互之間的黏附力大于重力，在力學(xué)條件下，多余的一點(diǎn)材料將不會從噴頭滴出來，也就不會出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象。

B.改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)。以前常見的噴頭噴嘴處為不影響其內(nèi)部材料的傳熱效果，噴嘴長度和直徑相差程度較小。在增加材料黏附力的基礎(chǔ)上，再對噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理改進(jìn)，對于噴嘴原來的直徑不做改動，所做的結(jié)構(gòu)變化是將噴嘴的最前端加長，原理為：通過增大噴嘴內(nèi)壁的面積，進(jìn)而增大材料向下運(yùn)動時的摩擦阻力，同時，材料的黏附力也會因為噴嘴內(nèi)壁面積的增加而增大，更好地阻止了打印材料在停止出料無擠壓力作用下時向下滴落。改進(jìn)后的噴嘴如圖3所示。

圖3 打印機(jī)改進(jìn)前和改進(jìn)后的噴嘴Fig.3 The nozzle of printer before and after improvement

改進(jìn)后的打印機(jī)噴嘴內(nèi)壁面積更大，能使熔融材料更好的附著，在打印機(jī)停止出絲時，閥針內(nèi)腔的多余材料不會因為重力原因而漏出，所做的這一改進(jìn)在很大程度上改善了噴頭拉絲現(xiàn)象。另外內(nèi)壁坡度更大，也為噴頭在打印過程中的堵塞問題提供了幫助，在打印時，出料不會因為靠近噴嘴處的熔融材料冷卻凝固而導(dǎo)致噴頭堵塞。

3 結(jié)語

本文對于使用ABS塑料的熔融沉積(FDM)型3D打印機(jī)在使用時所常見的模型坍塌、開裂，噴頭堵塞、拉絲等影響模型精度的問題進(jìn)行了分析，包括3D打印機(jī)所使用的熔融材料、計算機(jī)編程、噴頭結(jié)構(gòu)和打印機(jī)機(jī)頭的溫度分布，總結(jié)了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的缺陷，并針對問題和不足在材料、控制和結(jié)構(gòu)等方面提出了改進(jìn)辦法。優(yōu)化后的模擬結(jié)果表明，在選用較高導(dǎo)熱率材料和最優(yōu)編程控制的基礎(chǔ)上，改進(jìn)的噴頭結(jié)構(gòu)增大了整個機(jī)頭的平均溫度且使流道的溫度分布趨于均勻，最大溫差顯著減小。噴頭處設(shè)置的加熱圈能夠盡量減少溫度的損耗，讓溫度場分布更加均勻，確保熔融材料被擠出時的所需溫度是合適的。本文為熔融沉積(FDM)型3D打印機(jī)的普遍性問題提供了實際可行的改進(jìn)方法，對于工業(yè)應(yīng)用中3D 打印設(shè)備的傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計及設(shè)備改進(jìn)具有重要意義。

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FDM3Dprinternozzleoptimizationdesign

MIN Chang, LI Jin, SHEN Xin-ming, LIU Jia-li, LIU Yang

(School of Mechanical Automation, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

With the continuous innovation and development of 3D printing technology, it has become the focus of attention of all kinds of different industries, a great influence on the application of social machinery market. In industrial production, 3D printing technology will gradually adapt to the requirements of the times instead of the traditional machine tool production. Although 3D printers are now widely used, continuous improvement in technology innovation and optimization are becoming more sophisticated in terms of printing technology, there are still many problems and shortcomings in the design of printer nozzle. Taking type in FDM 3D printer as example, the common problems occur when printing were analyzed and solutions were proposed based on FDM 3D printer type, and practical solutions to improve the design of some of the problems existing in the head during printing were put forward.

FDM; 3D printing; Nozzle; Improved design

TP334.8

A

1674-8646(2017)21-0010-03

2017-09-19

國家級創(chuàng)新訓(xùn)練項目“一種新型3D打印機(jī)設(shè)計與分析”(201610488005)

閔暢(1995-)，男，武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院機(jī)械類本科在讀學(xué)生。