熔融沉積3D打印機的噴頭機構優化設計

馬志剛

摘 ? 要：3D打印是一種新興的實體制造技術。文章主要是針對噴嘴擠出機構進行了優化分析，對打印機X，Y和Z方向上的噴頭位移定位精度進行了計算，并分析了噴嘴結構對熔融態聚合物絲材在擠出機構內部流動行為的影響，利用數值仿真手段分析了壓力—聚合物流動速度之間的關系，優化了聚合物在噴嘴內的流動特性，驗證了噴嘴形狀和結構參數對打印精度的影響。

關鍵詞：3D打印機;熔融沉積;噴頭機構

三維打印（Three Dimensional Printing，3D）是一種新興的實體制造技術。3D打印將信息技術、材料技術、機械科學、控制技術、生物技術等相融合，通過數字化控制打印方式將材料進行逐層疊加，從而實現三維實體的增材制造。在3D打印機各機構中，噴嘴機構對打印質量起著至關重要的作用。

1 ? ?噴嘴擠出機構擠出方式

在熔融沉積FDM 3D打印機中，噴嘴擠出機構是所有機構中的關鍵一環，對打印質量和打印機的整機性能有著直接影響。噴嘴擠出機構主要由噴嘴、送絲機構、加熱結構、散熱結構等部分組成。

根據擠出方式的不同，噴嘴擠出機構主要可以分為螺旋式擠出機構和柱塞式擠出機構兩種類型。柱塞式擠出機構結構簡單，能夠降低擠出機構的重量，隔熱措施容易安裝，但是絲材在打印中容易堵塞;螺旋式擠出機構擠出過程穩定，打印速度高，但是體積大、成本高、噴頭重[1]。

對比兩種噴嘴擠出機構，柱塞式結構簡單、體積小，甚至能滿足桌面級3D打印機的要求，所以本設計選擇柱塞式擠出機構[2-3]。柱塞式擠出機構組成部分主要包括：加熱模塊、散熱風扇、環形散熱片、測溫電偶以及噴嘴。工作原理是以加熱腔內的絲材未熔融的固體部分將被加熱至熔融狀態的絲材向前推進，固體部分作用類似柱塞，從而使熔融狀態的絲材由噴嘴擠出[4]。

由于打印材料為高聚物，在熔融狀態下具有很強的黏性，導致加熱腔的流道內會有部分絲材殘留累積，容易堵塞擠出機構，所以為使絲材在加熱腔的流道內不出現累積，要求絲材在噴嘴上部不能呈熔融態。可在流道內部插入鐵氟龍軟管，利用其表面不黏性、耐高溫等物理特性保證絲材在流道內前進的流暢性，避免堵塞問題的發生。

2 ? ?噴嘴擠出機構結構設計

在實際工作中，對于不同的打印件的結構，擠出機構需要對部分打印件進行結構填充與支撐部分的打印，有的打印內部支撐，有的打印外部填充，還有的兩者同時打印。填充與支撐的打印雖然能夠提升打印結構的穩定性，但也會使成型時間增加，降低打印效率。所以，在滿足成型條件的情況下，要盡量縮短加工時間，并且盡量減小支撐結構。這樣既減少材料的消耗，又縮短加工時間。零件在打印成型以后需要將輔助支撐去除掉一部分，將其內部填充在打印件內部，所以在支撐結構強度保證合格的條件下，內部填充結構的噴嘴直徑與用來成型輔助支撐結構，可以大于打印零件模型的噴嘴直徑，這樣，打印效率得以提高。文章中擠出機構的設計將表面成形部分、內部填充部分以及外部支撐部分的層厚加以區分。輔助支撐層的厚度設置為3n，打印件外表面層的厚度設置為n，則內部填充層的厚度也設置為3n。

將打印模型按照上述層厚設置進行切片處理，打印機工作過程中擠出機構的運動情況有以下幾種。

（1）切片數據對于擠出機構進行控制，依據切片對打印件表面進行打印，打印層的層數為3。

（2）切片數據對于擠出機構進行控制，分別對內部填充和輔助支撐兩部分進行打印，打印層的層數為1。

（3）擠出機構按照上述兩步驟進行循環式打印，直到得到最終的完成品。

根據以上算法，打印機的擠出機構噴嘴數量應該為3個。在這3個噴嘴中，打印內部填充與輔助支撐成型的噴嘴出絲口直徑要大，而打印工件外表面成型的噴嘴的出絲口處的直徑要小，同時與打印外表面成型的噴嘴出絲口直徑成倍數關系。

該方式能夠在保證成型精度的同時，按照成型部分不同，設定不同層厚，減少成型所需時間。

據此，在設計擠出機構時，對于噴嘴有以下兩個要求：（1）負責打印工件外表面的噴嘴直徑大于負責打印外部支撐和內部填充的噴嘴直徑。（2）需要對不同的尺寸組合進行優化，選取效果最好的一組。

熔融態絲材的運動特性受會到噴嘴內部加熱器尺寸參數的影響，并且與噴嘴外徑及內徑尺寸、錐形過度圓角等因素有關。可以利用有限元軟件對已建立好的不同加熱腔流道模型進行分析，并對得到的相關數據進行記錄和分析。加熱腔內部直徑固定為2 mm，錐形過度角度始終保持60°，使打印速度保持恒定，流道外部直徑為變量[5]。

在加熱腔內徑保持不變的情況下，絲材在內部的融化時間越長，所用的加熱噴嘴外部直徑尺寸越大，融化段的長度越長。但是，當加熱腔噴嘴直徑太小時，會致使熱腔內壁與絲材的表面接觸部分的區太小，通過這樣的參數制造出來的加熱腔壁面結構過薄，會使給絲材提供的熱量不充足。當打印速度保持不變，加熱腔外部直徑保持6 mm不變，錐形過度角度恒為60°，而使加熱腔內徑為變量，研究絲材受到加熱腔內徑的影響。

絲材在內部的融化時間越短，所用的加熱噴嘴內部直徑尺寸越大，融化段的長度越短[6]。加熱腔的漸變角對融化段長度影響較大，如果想要建立不同大小的模型進行模擬分析，就要改變漸變角的角度大小，軟件分析出在不同漸變角下絲材完全熔融下的融化段長度。將錐形過度圓角采用不同數值，其他結構參數保持相同，發現加熱腔內漸變角度大小會影響熔融段的長度。漸變角越大，絲材融化時間越長，熔融段長度越小。

3 ? ?噴嘴擠出機構空間布局形式設計

噴嘴擠出機構在空間上有3種布局形式：（1）直線型布局。（2）等邊三角形布局。（3）直角三角形型布局。其中，兩種三角形布局結構比較復雜，占用空間較大，同時在控制策略及算法上較為繁瑣，很大程度上增加了熔融沉積3D打印機的設計成本和制造成本。因此，為了降低成本，縮短打印周期，提高打印效率，本設計選擇直線型結構作為噴嘴擠出機構的空間布局形式。在實際打印過程中，通過對X，Y軸導軌的控制使其協同運動，實現不同噴嘴的位置變換。通過噴嘴間的協同運動，可對打印模型進行外殼打印、內部填充、輔助支撐打印。該結構既能夠保證打印速度，也能夠提高零件的打印精度。

三噴嘴擠出機構相關數據為：長130 mm，寬90 mm，高75 mm，質量1 500 g，表面粗糙度100 μm，打印速度125 mm/s。

三噴嘴擠出結構和其他單噴嘴3D打印機對比來說，它的擠出結構長度大，但重量輕，送絲方式的差別是主要原因。三噴嘴擠出機構優勢在于3個噴嘴之間既有分工又有協作。所以，產品的打印精度得到了提升，同時表面精度也得到了相應改善。

[參考文獻]

[1]杜文軍，劉軼，杜銀學，等.大型FDM三維打印機的研制[J].金屬加工（熱加工），2016（5）：50-52.

[2]AW Y Y，YEOH C K，IDRIS M A，et al.Effect of printing parameters on tensile， dynamic mechanical， and thermoelectric properties of FDM 3D Printed CABS/ZnO composites[J].Materials，2018（4）：23-25.

[3]BENWOOD C，ANSTEY A，ANDRZEJEWSKI J，et al.Improving the impact strength and heat resistance of 3D printed models：structure， property， and processing correlationships during fused deposition modeling（FDM）of Poly（lactic acid）[J].Acs Omega，2018（4）：4400-4411.

[4]蔡馮杰.基于3D打印技術的滌綸纖維增強復合材料制備及其力學性能研究[D].杭州：浙江理工大學，2018.

[5]陳繼民，王文椿，姜繆文，等.柱坐標式FDM 3D打印機的研制[J].北京工業大學學報，2017（6）：814-818.

[6]HAIDIEZUL A H M，AIMAN A F，et al. Surface finish effects using coating method on 3D printing （FDM）parts[C].Malacca：Malaysian Technical Universities Conference on Engineering and Technology，2017.