基于fdm技术的3d打印机挤出机构研究与设计

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1、基于FDM技术的3D打印机挤出机构研究与设计　　摘要：虽然FDM技术在3D打印机应用很广泛，但是由于其本质的问题会影响挤出机构过热而导致打印出的成品表面粗糙甚至精度出错。为了解决此问题，研究一般的挤出机构的构造并在此基础上设计一种3种挤出机构联合使用的三喷嘴挤出机构。通过添加新的材料到挤出机构中缓解流体对通道内壁的粘度以及对有变相引起的局部过热问题，优化了3种不同挤出机构联合排列使用的效果。通过实验仿真得到了设计的挤出机构表现优秀并且能够满足实际需求。　　关键词：3D打印机；FDM技术；三喷嘴挤出机构；系统设

2、计　　中图分类号：TN911?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2016）22?0100?04　　0引言　　随着科技的发展，人们已经能从简单打印到纸上的2D图形进一步实现为立体的3D模型，其便利性无需多言。当坏掉的机器缺少零件，无需再去匹配寻找该零件，取而代之的是利用图纸就能快速的打印出具有精确尺寸的零件；除了小型物件，房子，汽车飞机都能过通过3D打印机打印出来，为制造业提供了新的解决方案。其他典型的应用如产品批量制造，快速制造模具以及医学领域等，3D打印均体现了相比于传统制造业的巨大优势，价格

3、低、出货快速，极大地提高了经济效益[1]。3D打印是快速成型设备。在现有的3D10打印快速成型技术还面临着诸多方面的瓶颈和探索，而当前能有效解决这些问题的方法就是熔融沉积成型（FusedDepositionModeling，FDM）技术[2]。　　1FDM结构构成　　FDM主要由5个部分构成[3]，包括喷头、送丝机构、运动机构、加热工作室、工作台，如图1所示。　　其中，喷头作为FDM的核心组成部分，关系到3D打印出的物件的质量好坏，主要作用是将其内部的固相材料加热至熔融状态，然后由相关机构将熔融状态的物料从喷

4、嘴挤出，挤出的材料按照切片数据层层粘结、固化，按照预定程序不断地进行，最终获得实体。在制造悬臂件时，悬臂部分由于无支撑易产生变形，为了避免悬臂部分变形情况的发生，需要添加支撑部分，这点与其他快速制造模型时有所不同[4]。当支撑与模型材料为同一种材料，可以采用单喷头的形式，但现在多用两个喷头且相互之间独立加热的形式，各自用不同的材料制造零件和支撑，由于两种材料的特性不同，制作完毕后更易进行后处理工作。本文对采用FDM技术中的3D打印机挤出机构中喷头中存在的问题进行分析，并提出一种新的挤出机构的设计方案以解决该问

5、题。　　2基于FDM技术的3D打印机挤出机构的优化　　设计10　　目前的基于FDM技术的挤出机构主要存在的问题是：由于熔融沉积式3D打印的喷头是使用热熔喷头，因此会存在打印精度和材料喷出不均匀的缺陷[5]。在打印精度上，如图2所示，喷头在加热时会由于热涨而导致变形，这就直接导致了打印精度的降低从而造成打印出的物件在尺寸上有些许误差。而对于喷涂材料不均匀的问题，物料在经过喷嘴时，由于中间部分受热导致相变，而相变过程中进丝的压力也会受到影响，导致物料之间出现不规则的空隙，甚至出现断层。这些就会导致打印出来的物件表

6、面粗糙不光滑，特别极端的情况下还会导致打印某些倾斜的表面时的“阶梯效应”[6]。针对这问题，本文构建出了两种挤出机构串联使用的方法来解决这个问题，其单个部件的具体设计如下。　　2.1活塞式挤出机构的优化设计　　对于一般的活塞式挤出机构的主要零部件包括喷嘴、加热棒、加热铅块、加热腔、喉管以及测温电偶等部分。它的基本机理是采用以固态物料作为活塞，通过步进电机对物料进行输送，熔体物料作为被推送的流体，将熔融态材料经由喷嘴挤出[7?8]。传统的挤出机构中存在一定缺陷，就在于一般的物料熔融后具有一定的粘性，残留的物料常

7、会在流道及加热腔内进行累积，最终也会导致整个挤出机构的堵塞，不仅影响打印质量而且也对机器本身有害。更值得注意的是，由于物料直径小于喉管内径，密封性差，容易出现流涎问题。为解决上面提出的这个问题，本文在挤出机构喉管内部插入铁氟龙软管对其进行优化，其位置如图3所示。铁氟龙材料是一种具有耐高温低温的物理特性以及自润滑性与表面不粘性等化学特性的优质材料，因此在喉管内加入铁氟化软管可以保证物料过程的流畅性，使得挤出机构内材料的堆积、堵塞等问题得到有效解决。　　另外，在设计过程中，除铁氟龙软管外，挤出机构各零部件均通过螺

8、纹连接的方式彼此连接，构成挤出机构整体。考虑到流道、加热腔的尺寸问题，在以尺寸小型化为目的的基础上，初选喉管与喷嘴的螺纹尺寸为610mm，喉管选用材料为碳钢，其抗拉强度值为5MPa，喷嘴材料的选料为铜，其抗拉强度可以表示为σ1，现在再对所涉及的螺纹连接部分进行强度计算，由于选用的两相步进电机在满载情况的扭矩为7.8kg?m，且存在送死摩擦轮的齿顶圆直径为10mm。那么可以计算得到抽送物料所需要的最小