新型3D 打印噴頭組件及打印設備設計研究

羅文科，杜文林，李富華

（1.佛山市順德區陳村職業技術學校，廣東佛山 528000；2.廣州暢德科技有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

3D 打印即3Dimensional Printing，是一種增材制造技術。3D打印是20 世紀80 年代后期發展起來的新型制造技術，它以計算機三維模型為基礎，通過軟件控制分層制造成型的技術。3D打印技術通常采用數字技術打印機來實現，3D 打印機在醫療、建筑、汽車、航空航天和教育都有廣泛應用。常見的3D 打印機噴頭在多軸平移組件的驅動下，在X、Y 方向或者在X、Y、Z 方向上移動，進而在不同位置噴出打印耗材，實現以逐層打印的方式來構造物體。

1 提出問題

傳統的3D 打印設備在打印過程中，噴頭常常會被堵塞，而對打印裝置上的噴頭進行清理非常不方便，導致工作效率低。為解決上述問題，設計一種新型3D 打印設備和噴頭組件。該設備的噴頭組件能夠方便地從安裝座上拆下，從而實現對噴頭組件的清洗，有效提升用戶的使用體驗。同時，本設計中通過增加散熱風機的方式實現了打印位置的快速冷卻，從而有效提升打印質量。

2 設備構成

本文設計的設備構成如圖1～圖4 所示。設備由基座、連接部、第一裝配部、限位條、定位槽、第一送料通道、限位部、第一連接器、擠料機構、擠出齒輪、擠出輔輪、擠料電機、安裝座、第二裝配部、第二送料通道、鎖緊件、風道、散熱槽、第二連接器、噴頭、送風機構、第一風機、第二風機、X 軸導軌、第一滑動座、第一驅動桿、Y 軸導軌、第二滑動座、第二驅動桿、皮帶平移驅動機構。基座上設置有連接部、第一裝配部和第一送料通道，連接部用于與3D 打印設備的平移組件傳動連接。擠料機構設置在基座上，與第一送料通道連接。安裝座上設置有第二裝配部，第二裝配部與第一裝配部可拆卸連接。噴頭設置在安裝座上，與第一送料通道連通。在噴頭堵塞的時候，可以拆下安裝座，對噴頭進行清理。當然，也可以更換設置配置其他類型噴頭的安裝座，從而實現更換不同類型的噴頭。噴頭與安裝座通過卡接、螺紋連接的方式連接，可以在不更換安裝座的情況下直接更換噴頭。

圖1 噴頭組件結構

圖2 安裝座結構

圖3 移動定位結構

圖4 平移驅動組件和噴頭組件結構

送風機構設置在安裝座上，向噴頭的噴射路徑上送風。由于耗材通常是熱熔材料，送風機構對噴頭噴射耗材的位置送風，從而快速冷卻打印完成的位置。為了方便連通第一送料通道與噴頭準確連通，第一裝配部為設置在基座上的導向軌道，第二裝配部與第一裝配部滑動配合。安裝座上設置有第二送料通道，第二送料通道與噴頭連通。

安裝座上設置有若干鎖緊件，當第二裝配部相對第一裝配部滑動后，第一送料通道與第二送料通道連通，鎖緊件活動穿過安裝座并抵壓第一裝配部。或者，在基座上設置有若干鎖緊件，當第二裝配部相對第一裝配部滑動后，第一送料通道與第二送料通道連通，鎖緊件活動穿過基座并抵壓第二裝配部。

在將安裝座安裝在移動座上時，將第一裝配部與第二裝配部滑動配合，然后將第二裝配部相對第一裝配部滑動，使得第一送料通道與第二送料通道連通，然后移動鎖緊件，使得鎖緊件抵壓在第一裝配部，進而將第一裝配部和第二裝配部鎖緊，實現第一送料通道與第二送料通道的相對固定，也實現了安裝座和移動座的相互鎖緊。拆卸安裝座也可以方便地清理第二送料通道。

擠料機構可以根據實際需要選擇合適的設計，其包括擠出齒輪、擠出輔輪和擠料電機。擠出齒輪和擠出輔輪分別設置在第一送料通道的兩側，擠料電機與擠出齒輪傳動連接，擠出齒輪和擠出輔輪轉動一同將第一送料通道內的打印耗材向噴頭推擠。擠料機構也可以采用螺桿結構來送料。鎖緊件為螺紋鎖緊件，也可采用插銷等。

為了方便用戶確定安裝座相對移動座是否移動到位，基座上設置有限位部。用戶將第二裝配部相對第一裝配部滑動后，使第二裝配部抵接限位部，此時第一送料通道與第二送料通道連通，從而方便用戶確定是否安裝座裝配到位，方便用戶操作。

第一裝配部凸出于基座，其兩側分別設置有限位條，使得第一裝配部呈T 形。第二裝配部為滑槽，其形狀與第一裝配部的形狀相匹配，提高第一裝配部和第二裝配部的穩定性。安裝座的兩側分別設置有鎖緊件，第一裝配部在其導向方向的兩側分別設置有定位槽，當第二裝配部相對第一裝配部滑動后，第一送料通道與第二送料通道連通，鎖緊件活動穿過安裝座，伸入定位槽內。或者在基座的兩側分別設置鎖緊件，分別位于第一裝配部的導向方向的兩側。第二裝配部的兩側分別設置有定位槽，當第二裝配部相對第一裝配部滑動后，第一送料通道與第二送料通道連通，鎖緊件活動穿過基座，伸入定位槽內。定位槽和鎖緊件定位配合，避免鎖緊件晃動偏移，提高第一送料通道與第二送料通道連通的穩定性。本設計中，定位槽設置在限位條上。

送風機構包括第一風機和第二風機，第一風機向噴頭的噴射路徑送風，打印位置位于噴頭的噴射路徑上，第一風機對噴頭噴射到打印位置上的耗材進行快速冷卻。由于耗材通常采用的是熱熔耗材，耗材流經安裝座時，很容易導致安裝座溫度過高。第二風機向第二送料通道送風，從而對安裝座位于第二送料通道周圍的部分進行冷卻，避免安裝座過熱。

為了引導第一風機的風準確吹向指定的位置，安裝座內設置有多個風道。多個風道圍繞噴頭布置，出風方向朝向噴頭的噴射路徑。風機與風道一一對應連通，對打印位置上的耗材進行快速冷卻。

為了提高安裝座的散熱性能，安裝座上設置有多個散熱槽，散熱槽圍繞第二送料通道布置，第二風機朝向第二送料通道和散熱槽送風，從而對安裝座進行散熱。為了方便送風機構接電，在一些可選的實施方式中，基座上設置有第一連接器，安裝座上設置有第二連接器，第二連接器與送風機構電連接，第一連接器與第二連接器電連接。

在本設計中，第一連接器為插拔式的接線端子的母頭，第二連接器為插拔式的接線端子的公頭。3D 打印設備包括：機架、平移驅動組件以及上述噴頭組件。平移驅動組件設置在機架上，與噴頭組件的連接部連接，平移驅動組件驅動3D 打印的噴頭組件的基座平移。平移驅動組件為2 軸平移驅動組件，其包括設置在機架上的X 軸導軌、與X 軸導軌連接的第一滑動座、設置在第一滑動座上的第一驅動桿、設置在機架上的Y 軸導軌、與Y軸導軌連接的第二滑動座、設置在第二滑動座上的第二驅動桿以及2 個皮帶平移驅動機構。第一驅動桿沿Y 軸方向延伸，第二驅動桿沿X 軸方向延伸，2 個皮帶平移驅動機構分別與第一滑動座和第二滑動座傳動連接。連接部位設置在基座上的第一通孔和第二通孔，第一驅動桿穿過第一通孔，第二驅動桿穿過第二通孔，皮帶平移驅動機構驅動第一滑動座沿X 軸移動時，第一滑動座通過第一驅動桿推動基座沿X 軸移動，此時基座通過第二通孔沿著第二驅動桿滑動，皮帶平移驅動機構驅動第二滑動座沿Y 軸移動時，第二滑動座通過第二驅動桿推動基座沿Y軸移動，此時基座通過第一通孔沿著第一驅動桿滑動。

3 設備工作流程

3.1 操作流程

本設計的具體操流程是通過基座對擠料機構和安裝結構進行連接，設備啟動后，3D 打印材料從第一送料通道進入3D打印設備的擠料機構，然后擠料點擊通過齒輪帶動擠料齒輪和輔輪進行轉動，將3D 打印材料通過第二送料通道送到3D打印設備的噴頭。在這過程中，位于安裝結構的第一風機和第二風機啟動。其中第一風機朝向噴頭的噴射路徑進行送風，使讓噴頭噴射在打印位置的材料快速冷卻。第二風機朝向第二輸料通道進行送風，來對第二輸料通道進行降溫，防止安裝座過熱。在噴料的過程中平移驅動組件通過X 軸軌道和Y 軸軌道移動位置，通過第一驅動桿來驅動3D 打印設備在X 軸方向移動，通過第二驅動桿來驅動3D 打印設備在Y 軸方向移動，從而實現增材打印。

3.2 優化設計

本文設計的3D 打印設備的噴嘴位置為可拆卸的形式，設備在進行工作的過程中如果噴嘴發生堵塞的情況，可以及時將安裝結構從3D 打印設備取下清理。在噴嘴口通過風機送風的方式來降低打印位置的溫度，使打印位置能夠快速冷卻，有效提升打印的質量和效率。同時通過風機對第二輸料通道進行降溫處理，能夠有效降低設備在工作過程中的溫度，使設備處于正常工作的溫度范圍內，從而保證設備不會出現設備溫度過高而無法繼續工作的情況。

4 結束語

本文設計了一種新型3D 打印噴頭組件和打印設備，能夠有效地解決傳統3D 打印設備在工作過程中容易出現的噴嘴堵塞問題，有效提升3D 打印設備的打印效率。同時將噴嘴位置設計成可拆卸的模式，使用戶可以更加方便地清理打印設備的噴嘴位置。