闵 畅，李 锦，沈新明，刘佳丽，刘 洋

(武汉科技大学机械自动化学院，武汉 430081)

FDM型3D打印机喷头优化设计

闵 畅，李 锦，沈新明，刘佳丽，刘 洋

(武汉科技大学机械自动化学院，武汉 430081)

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。

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。

图1 喷头结构框架Fig.1 Nozzle structure frame

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，计算机对这些单边范围进行设置、生成截面信息后，当打印过程中达到临界范围以及在编程后生成实际加工路径时，将会自动在模型外添加辅助性平面。由于辅助性平面添加在模型的外部，将不会对原有模型的打印结果产生影响，这样在制作模型时，逐层打印的下面一层就包含了两个部分，即模型部分和辅助性部分，这两部分都制作完成后，模型部分已经冷却达到稳定状态，在上层打印时下层稳定，将从很大程度上改善模型的变形坍塌，此类问题相较以往得到明显改善。

模型开裂是由于在进行实际打印时，模型体积过大或某一方向的长度过长，模型就可能会在打印过程中裂开，这是因为FDM型打印机在逐层堆积成实体模型时实现了固-液-固的变化过程。关键的问题在于液体在被喷头挤出时，要依靠冷却条件在分层打印时凝固成固态，进而堆积成为三维模型该有的形状[7]。此时由于材料受到热胀冷缩这一物理因素的影响，因此从液态冷却后到固态的模型很容易产生一定程度的变形，而解决办法是选择收缩率较小的最优材料，尽量避免模型发生较大变形，防止当模型承受能力达到极限程度时发生裂开的严重问题[8]。

2.2 堵塞问题及设计改进措施

在实际生活应用中，3D打印机喷头出现堵塞的情况非常常见，这与熔融材料、人工调节和喷头结构等都有一定的关系。用于熔融沉积打印的材料有金属、塑料和树脂等，从外界条件进行分析，当材料加热融化后质地不均匀、黏稠度方面达不到合格要求时，就容易导致打印机机头堵塞。FDM型3D打印机熔融材料挤出温度调节、挤出压力调节以及进料松紧调节不合适等人为因素，也对喷头造成不良影响[9]。而本文讨论的是打印机本身的内部因素：热流道及温度场分布不均匀。当喷头传热效果不佳时，就会导致内部的熔融物质流通不顺畅，进而造成打印机喷头堵塞，而机头传热不佳主要由于温度源与喷头之间的距离过远或是喷头部分零件的连接不紧凑和密封性不好，在一定程度上造成热损耗[10]。

针对材料质地和黏稠度等问题，可以通过改进熔融材料并配以合适的机型来解决此类问题。本文主要针对喷头热端组件的不足进行改进设计，结合以上的分析结果，在喷头选材和结构上做出合理的改进。喷头以往比较常用的材料为铝青铜，在一定程度上，铝青铜在刚度、耐磨性、抗腐蚀性等方面都占有优势，在导热性能方面相比于其他合金材料较差，其导热率为56 W/(m·K)。在不影响其原有特性优势的前提条件下，进一步增大喷头的导热性能，采用强度、耐蚀、防腐、抗磨抗冲击性能优越且导热性能好的沉淀硬化型合金铍青铜，其导热率≥105 W/(m·K)，同时也具有很好的耐寒性和无磁性，更容易适应各种恶劣和复杂的环境条件[11]。在结构上，喷头可采用整体的形式，图2为对喷头进行结构上的改进。

图2 改进喷头的二维图Fig.2 Improved two-dimensional nozzle

喷头部分结构的零件和连接件较少，为改善其传热效果，降低打印机工作时发生的热损耗，可以在整个喷头的外部设置加热圈，以更好弥补在传热过程中的温度损耗，保证熔融物质的稳定流动。与原来常用的喷头结构对比，改进后的喷头结构更加简化，加热圈将喷头周围的温度场分布更加均匀，使其内部热流道的距离缩短，在很大程度上改善了热损耗，隔热保温性能大大提高。

2.3 拉丝问题及设计改进措施

3D打印机拉丝问题，即在打印过程中打印模型上出现多余且不需要的塑料丝。产生拉丝现象的原因主要为：在模型制作过程中，打印机在计算机控制的非打印状态下或间隔打印机头移动时，当喷头处有残余材料或回缩功能达不到要求时，就会导致依然有熔融物流出，造成打印模型出现误差，由于在送料机构的控制下，打印头中的残余材料非常少，滴落出来呈现细丝状，所以称此现象为拉丝现象[12]。该现象对打印物品的精度造成比较严重的影响，因为FDM型3D打印机为逐层打印，通常情况下会使打印模型累积不均匀。针对制作模型时出现的拉丝现象，本文提出如下改进办法：

A.改进ABS熔融材料。改进后的材料需黏附性好，但黏度低且热塑性更好，让喷头内的打印材料在受热后成为熔融状态时的黏附性更好。在正常制作模型时，送料机构将新材料送入喷头，挤压喷头里原有的材料，使其从喷嘴里出来堆积模型。在停止喷头出料时，在没有新材料挤压的情况下，由于ABS熔融材料的黏性更大，同时，喷头内多余材料相互之间的黏附力大于重力，在力学条件下，多余的一点材料将不会从喷头滴出来，也就不会出现拉丝现象。

B.改进喷嘴结构。以前常见的喷头喷嘴处为不影响其内部材料的传热效果，喷嘴长度和直径相差程度较小。在增加材料黏附力的基础上，再对喷嘴结构进行合理改进，对于喷嘴原来的直径不做改动，所做的结构变化是将喷嘴的最前端加长，原理为：通过增大喷嘴内壁的面积，进而增大材料向下运动时的摩擦阻力，同时，材料的黏附力也会因为喷嘴内壁面积的增加而增大，更好地阻止了打印材料在停止出料无挤压力作用下时向下滴落。改进后的喷嘴如图3所示。

图3 打印机改进前和改进后的喷嘴Fig.3 The nozzle of printer before and after improvement

改进后的打印机喷嘴内壁面积更大，能使熔融材料更好的附着，在打印机停止出丝时，阀针内腔的多余材料不会因为重力原因而漏出，所做的这一改进在很大程度上改善了喷头拉丝现象。另外内壁坡度更大，也为喷头在打印过程中的堵塞问题提供了帮助，在打印时，出料不会因为靠近喷嘴处的熔融材料冷却凝固而导致喷头堵塞。

3 结语

本文对于使用ABS塑料的熔融沉积(FDM)型3D打印机在使用时所常见的模型坍塌、开裂，喷头堵塞、拉丝等影响模型精度的问题进行了分析，包括3D打印机所使用的熔融材料、计算机编程、喷头结构和打印机机头的温度分布，总结了现有结构存在的缺陷，并针对问题和不足在材料、控制和结构等方面提出了改进办法。优化后的模拟结果表明，在选用较高导热率材料和最优编程控制的基础上，改进的喷头结构增大了整个机头的平均温度且使流道的温度分布趋于均匀，最大温差显著减小。喷头处设置的加热圈能够尽量减少温度的损耗，让温度场分布更加均匀，确保熔融材料被挤出时的所需温度是合适的。本文为熔融沉积(FDM)型3D打印机的普遍性问题提供了实际可行的改进方法，对于工业应用中3D 打印设备的传热结构设计及设备改进具有重要意义。

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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

国家级创新训练项目“一种新型3D打印机设计与分析”(201610488005)

闵畅(1995-)，男，武汉科技大学机械自动化学院机械类本科在读学生。