3D 打印机喷头组件结构优化设计
（宁波精芯科技有限公司，浙江 宁波 315000）
摘 要：在制造业领域，产品的迭代速度越来越快，新产品的研发周期长短己成为当前市场下重要竞争优势之一，而 3D 打印技术的可以提升产品在概念阶段的设计速度，大大缩短研发周期。研究打印喷头组件的结构，是提高 3D 打印技术的打印精度和打印件质量的重要指标。目前，国内外很多学者就 3D 打印机喷头和打印件质量的问题进行了分析，并提出了相应的解决方案。本文对打印喷头组件进行热力学仿真分析，并结合打印机的工作现象找到喷头堵塞点，通过实验和仿真找出其设计中的不足并改进，最后再对打印喷头组件进行整体结构的进一步优化设计。
关键词：3D 打印；喷嘴；优化设计
目前 3D 打印技术广泛应用于消费品制造、零件制造、文物修复、生物医学、汽车及航空航天等领域。3D 打印技术又称增材制造技术，该技术通过实体三维扫描得到的模型数据或利用逆向工程获得的模型数据，采用材料逐层扫描堆积的方式制造三维实体的技术，相对于传统的材料加工技术即“减材”，3D 打印是一种“增材”的制造技术，它的出现无疑是传统制造技术的有益补充。随着时代的进步，3D 打印技术的不断改进与创新，人们对 3D 打印的个性化消费品需求越来越高，特别对打印物品的创意、美观程度等方面的关注度也不断提升。
喷头是 3D 打印机系统的核心部件，喷头的尺寸是喷头最重要的工艺参数，加热腔的温度是丝料稳定流动的重要条件，喷头尺寸和加热腔温度的变化影响喷头内打印材料的流动性能，最终影响打印产品的精度。许多学者对 FDM 3D 打印的喷头结构优化问题进行了大量研究。
一、3D 打印技术
3D 打印技术作为一种灵活的全新制造技术，其应用覆盖了机械、建筑、医疗、教育、航空航天等领域，为诸多行业带来了机遇与活力。
3D 打印技术的主要应用方向如下：工业设计、在工业产品设计中，3D打印已成为可靠的加速开发手段，可以快速将计算机的三维模型以 1：
1 比例制作出实物。 医疗工业，在人造骨骼材料、人体心脏支架乃至人体器官制作方面，3D 打印均有成功案例。目前打印肝脏、肾脏、胰脏、膀胱等器官的医疗技术也在研究当中。航空工业，3D 打印技术制造的钛合金部件已应用于我国 C919 大型客机中。3D 打印设计制造了300 余种不同的零部件用于飞机的配件维护。 建筑行业，应用 3D 打印技术的建筑具有施工周期快、成本低、绿色环保等优势。目前，国内 3D 打印建筑行业已初具规模，杭州博彭科技仅用 1 天便建成两层300 平米的别墅坯房；上海建工机施集团应用 3D 打印技术制作的景观桥梁也宣布进入测试阶段。
二、3D 打印机喷头组件仿真
对 3D 打印机工作的特点和环境，选择 PLA 材料进行打印，这种材料的打印温度为 170℃ ～230℃，没有刺激性气味，放在打印平台上打印不会收缩，特别适合在公共场所做打印，且不会造成任何环境的污染。又因加热温度过高 PLA 材料易碳化，温度过低工作流畅性能不好，所以选择热阻温度为 210 ℃，边界环境温度为 22 ℃，传热方式为接触物体之间的热传导[1]。
如图所示，为 3D 打印机喷头组件的模型视图，组件是利用鱼眼吊台上的六个通孔和 U 型铝块利用螺栓连接而成，再把鱼眼吊台与三组并联杆连接，分别由三个步进电机分别控制打印头在 X、Y、Z 三个方向移动，实现打印头的水平移动与上下移动。聚四氟乙烯耐高温喉管通过挤出机经过连杆接头，最终 PLA 材料从聚四氟乙烯耐高温喉管中通过铁氟龙管再流入加热块从喷嘴中挤出，因塑料喉管只能到 K1点处，且是耐高温材料，对温度传导的影响甚微，因此 PLA 料在加热块中加热到熔融状态，挤出机把材料继续往前挤出，让液态的熔料从喷嘴中挤出，由于塑料喉管只能进入到散热器中的 K1 点处，此时的塑料喉管在 K1 点处必然存在间隙，所以当材料达到熔融状态，而上端的丝料还在往下继续挤出时，液态的 PLA 材料不仅会从喷嘴里挤出，而且还会在塑料喉管间隙里倒流，如图中的阴影区域。当熔料倒流到 K1 点处时，熔融的材料与喉管之间的摩擦力增大，且受外部散热装置的影响，材料会在 K1 处 冷却的过程中流速降低直至完全堵塞打印喷头；又流道的距离也直接影响着熔融材料在管道中的速度，熔材在管道中所造成的阻力是要极力避免的，为了避免因驱动力不足造成喷头堵塞，所以应尽量的缩短流体在流道中的距离来提高熔材的流速，在设计时尽可能的让材料在进入加热块时才开始熔化。
三、3D 打印机喷头组件优化设计
1、打印接头和散热器的结构优化。由于 3D 打印机的打印头组件需要利用鱼眼吊台和并联臂连接，但原有喷头组件设计是在狭小的空间支架中通过多组螺栓把 U 型铝块和喷头组件连接在鱼眼吊台上，最终形成 3 组并联臂，大大增加了安装难度，降低了工作效率，同时大量的机械安装必然会造成精度的降低。利用度接头通过螺母片把打印接头和鱼眼吊台通过互锁连接，形成中心定位，不仅安装快捷方便，而且定位精度高，装卸方便；由于散热器和铁氟龙管结合处内孔直径统一为 6mm，耐高温聚四氟乙烯喉管插入其中不仅阻力大，安装过程麻烦，而且在发生喷头堵塞情况时，必须要把整根耐高温管拔出，甚至需要拆掉整个喷头组件，造成装卸料的极大不便且会一次次的增大打印过程中的机械误差，降低了打印的精度。如图。
由图中 M 点减小散热器上端孔的直径到 2mm，可以把耐高温管完全固定在散热器内，在发生堵头情况时，便于排除堵塞材料或更换耐高温喉管，提高了工作效率，降低了堵头情况。
2、打印头组件整体热。利用 Solidworks 按上述要求把耐高温喉管装配进散热器中，选择耐高温喉管的材料为聚四氟乙烯，热传导率是0.21W/(m℃)，整体优化后喷头组件温度。因为优化后的 PLA 材料耐高温喉管里挤出，所以在分析时着重分析耐高温喉管中 K1，K2，K3 点的温度，并测得优化后耐高温喉管中的 K1，K2，K3 点的温度，可知优化后的打印头组件中，散热器的最高温度和最低温度分别降低了8.17%和 46.64%，实际测得打印喷头组件中，散热器的最高温度和最低温度分别降低了 13.65%和 39.58%，K1 点处温度降低了 23.58%，K2点处温度降低了 28.14%，K3 点处温度降低了 3.09% 。由于环境因素和人为因素，实际值和理论值存在一定偏差，但趋势是一致的，即改善后的喷头组件自身的散热能力明显增强，温度均有不同程度的降低，但在 K3 点时温度基本不变，即在材料进入加热块后材料成熔融态，缩短了材料在喉管内的行程，减小了材料在挤出过程中不必要的摩擦阻力，同时增大了材料在耐高温喉管内的驱动力，最终增加了材料挤出时的顺畅度，增加了打印件的表面质量。
3、实验优化后喷头组件。为改进后的 3D 打印机喷头组件打印实物，鱼眼吊台上端即为改进后用螺母片连接的过度接头，结构更简单且定位精度更高。经过长时间的打印测试，改进后的 3D 打印零件表面的断层、气泡都相应减少，且安装喷头组件效率提高了 40%，出料更加顺畅，基本无堵头情况，打印件表面也更光滑。通过理论计算，到仿真分析，最后通过大量零件打印，印证了喷头组件优化方案的可行性。
结论
(1)通过对打印喷头组件的结构优化设计，有效的降低了散热器和过度接头等零部件的温度，散热器温度降低了至少 8.17%，提高了喷头组件自身的散热效率，增大了材料在塑料喉管内的有效驱动力和流畅度，减少了 3D 打印机堵头的频律，提高了打印件的打印精度和质量。
(2)打印接头中心定位的结构设计，有效降低了打印机在安装过程中带来的机械误差，提高了打印机的安装精度，最终为打印件的质量提供了保障，为进一步开发 3D 打印机提供了参考。
参考文献：
[1]李轩，莫红，李双双.3D 打印技术过程控制问题研究进展[J].自动化学报，2018，42(7).03.
[2]肖亮，马训鸣，要义勇.3D 打印喷头的热力学分析与结构优化设计[J].
机械制造，2019，52(7)：15－18.
[3]王君，陈红杰，龚雅静.3D 打印机喷头组件结构优化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2017(10)：10.
[4]任翀，闫恪涛，李艳菲.熔融沉积快速成型不同喷头尺寸下的工艺分析[J].内蒙古科技大学学报，2017，36 (2)：172－175.
