龐飛鷹 玉貴升 周遠(yuǎn)暢 劉湘東

摘 要 本研究針對熔融層積成型技術(shù)（FDM）， 3D打印機(jī)打印過程中噴頭吐絲不順暢和噴頭堵塞所造成的打印精度下降的問題，分別對送絲部分、加熱系統(tǒng)和打印頭三個(gè)部分進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高3D打印機(jī)的的打印精度。

關(guān)鍵詞 熔融層積成型技術(shù)（FDM） 噴頭 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391.73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0前言

熔融層積成型（FDM）技術(shù)是將絲狀熱熔性材料加熱融化，通過微細(xì)噴嘴將絲材噴出，沉積在前一層已固化的材料上，通過材料的層層堆積形成最終成品。噴頭是3D打印機(jī)打印零件的關(guān)鍵部件，現(xiàn)有的3D打印機(jī)打印過程中噴頭吐絲不順暢和噴頭堵塞所造成的產(chǎn)品質(zhì)量精度問題。針對該問題，F(xiàn)DM工藝3D打印機(jī)的噴頭部分仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

1送絲部分設(shè)計(jì)

目前大部分送絲結(jié)構(gòu)為單驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪的間距固定，但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)更換打印材料時(shí)不方便，單驅(qū)動(dòng)一旦受到阻力過大噴頭內(nèi)部絲材移動(dòng)受阻，噴頭即會(huì)堵住。本設(shè)計(jì)采用浮動(dòng)，雙驅(qū)輪結(jié)構(gòu)送絲；如圖1所示，主動(dòng)輪的表面采用壓花，從動(dòng)輪使用V型槽的結(jié)構(gòu)，增加其摩擦力從而提高驅(qū)動(dòng)力；且該部分添加彈簧預(yù)緊裝置，便于自動(dòng)適應(yīng)直徑變化較小的絲狀材料。絲材進(jìn)入噴頭結(jié)構(gòu)的入口增加一個(gè)小喇叭式開口，避免材料彎曲角度大或是不能正常進(jìn)入加熱通道。使用雙驅(qū)動(dòng)輪是為了獲得更多的有效的動(dòng)力，同時(shí)選用相同規(guī)格的驅(qū)動(dòng)輪，也保證了絲料受力相對均勻，開V型槽可增大摩擦力。

2加熱部分設(shè)計(jì)

加熱裝置分為加熱棒和陶瓷加熱裝置兩種，加熱棒加熱裝置主要由不銹鋼外殼、阻絲、絕緣的氧化鎂以及引線等組成，氧化鎂對電阻絲可以起到固定和防止其導(dǎo)電的作用。加熱棒裝置可以耐高溫、而且體積小不占空間。陶瓷加熱裝置從內(nèi)到外分別是發(fā)熱電阻絲、耐高溫陶瓷、保溫棉以及不銹鋼外殼。陶瓷加熱裝置外殼有隔熱效果，可以抗高溫，防腐耐磨。綜合兩種加熱方式且考慮成本因素，最終選擇加熱棒裝置。依據(jù)熱熔材料所的要求，選用合適規(guī)格的加熱棒。外形單頭加熱棒一般分為高功率密度加熱棒和中、低功率密度加熱棒兩種，其中高功率密度的發(fā)熱區(qū)電熱管外表面積功率為12至25w/cm2，而中、低功率密度的發(fā)熱區(qū)電熱管外表面積功率為5至11 w/cm2，且工作溫度在300℃以下。我們常用的絲材保持熔融狀態(tài)不變質(zhì)的溫度極限是240℃，所以選用中、低功率密度的加熱棒。

3擠出部分設(shè)計(jì)

擠出結(jié)構(gòu)以溶體在流道內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)流動(dòng)順暢為合理。本文采用活塞式擠出方法，它不僅避免了復(fù)雜結(jié)構(gòu)重量，也節(jié)約了成本。利用固體材料充當(dāng)活塞把熔融材料擠出噴頭。因?yàn)槿廴诓牧隙加姓承裕?jīng)常有殘留的原材料在腔道內(nèi)積流，時(shí)間久了就會(huì)堵住內(nèi)腔，不僅會(huì)影響模型表面精度還容易出現(xiàn)流涎問題。為了避免這種情況，考慮在擠出機(jī)的喉腔內(nèi)加入一種叫做鐵氟龍的材料做內(nèi)襯。如圖2所示。“鐵氟龍”這種材料的產(chǎn)品一般統(tǒng)稱作"不粘涂層"；它是高分子材料，能抗酸抗堿還能抗有機(jī)溶劑等，而且不與其他溶劑相溶；不僅如此，它的組成成分里還含有耐高溫的聚四氟乙烯，且其摩擦系數(shù)非常低，可以起到很好的潤滑效果。這些特性可以有效避免腔道內(nèi)原材料堆積的問題。

4散熱部分設(shè)計(jì)

散熱結(jié)構(gòu)也是在熔絲過程中提高打印效率和質(zhì)量不可忽視的一個(gè)重要部分。熔絲加熱溫度達(dá)到230℃，能夠把相應(yīng)的材料融化，但倘若散熱做的不夠好使得步進(jìn)電機(jī)工作溫度超過130℃就很容易出現(xiàn)退磁和失步的現(xiàn)象?，F(xiàn)有的散熱結(jié)構(gòu)有的是添加小風(fēng)扇，或是增加方形或環(huán)形散熱片的散熱結(jié)構(gòu)。但當(dāng)前的散熱片的高度大多都在35-45mm，散熱片裝置一般都安裝在加熱快之上，這樣既不利于縮短輸送材料至擠出噴頭的距離。本文對散熱片的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，如圖3所示，考慮要減小送絲距離，將環(huán)形散熱片數(shù)設(shè)為6片，每個(gè)翹片厚度1mm；間隔1.5mm；翹片的高度5mm；散熱片基座厚度3mm?？s小占用空間，保證送絲的過程正常、穩(wěn)定。

5結(jié)論

本文對噴頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用雙驅(qū)輪結(jié)構(gòu)送絲，主動(dòng)輪的表面采用壓花，從動(dòng)輪使用V型槽的結(jié)構(gòu)，增加其摩擦力從而提高驅(qū)動(dòng)力；且該部分添加彈簧預(yù)緊裝置，便于自動(dòng)適應(yīng)直徑變化較小的絲狀材料。在加熱裝置增加一個(gè)鐵氟龍的材料做內(nèi)襯，增加其流動(dòng)性避免堆積堵塞。適當(dāng)減少散熱片的高度，縮短了絲材到噴頭的送絲的距離。該基于FDM技術(shù)的桌面式3D打印機(jī)的送絲結(jié)構(gòu)是通過增加送絲的驅(qū)動(dòng)力和相應(yīng)的通道穩(wěn)定進(jìn)絲的過程，再通過加熱裝置將固態(tài)絲料融化。熔融狀態(tài)的材料通過絲材推力作用流入噴頭并擠出。主要簡化了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，解決熔融材料沉積堵塞擠出不穩(wěn)的問題，以提高3D打印機(jī)的打印精度。

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