熔融沉积成型工艺的单电机双喷头设计研究

张海强，杜俊斌

(1.中国科学院广州电子技术研究所，广东 广州 510070)(2.中科院广州电子技术有限公司，广东 广州 510070)

融熔沉积成型(fused deposition modeling，FDM)工艺是3D打印技术的一种主要工艺，它通过送丝机构把热熔性丝料送入挤出装置加热熔融，同时喷头沿零件分层打印轨迹运动，丝料在送料齿轮的导入、挤出作用下从喷嘴挤出，产生塑性形变后迅速固化，形成一个实体的立体模型[1-2]。熔融沉积成型技术发展较早，凭借其零技能生产、低成本的复杂多样化制造、个性化定制等优势，已逐步应用于制造、医疗、航空、设计等多个领域，是目前应用最为广泛的3D打印技术[3-4]。

喷头是实现熔融沉积快速成型的关键部件[5]。目前，FDM工艺的3D打印机主要分为单喷头和双喷头。单喷头主要应用在桌面级3D打印机上，其结构简单，在打印单一材料、不需要支撑的模型时具有较大优势。但当添加支撑打印时，打印完成后物体和支撑的边界剥离困难，甚至会导致结构损伤。另外，单喷头也无法使用不同颜色或不同性能的材料进行复合打印。双喷头主要应用在工业级设备上，能较好地解决上述问题，其一个喷头用于熔融挤出模型成型材料，另一个喷头可用于熔融挤出容易物理剥离或化学剥离的支撑材料或其他材料。虽然不少3D打印机厂商都推出双喷头3D打印机，但在实际操作中，双喷头打印技术还很不完善，存在较多缺陷，很多复杂模型打印质量很差，甚至根本无法打印出来[6]。

1 双喷头设计准则的提出

双喷头原理如图1所示。左边为第一喷头(左喷头)，右边为第二喷头(右喷头)，工作时两个喷头不在同一水平面上。当需要左喷头打印时，切换机构切换两个喷头之间的高度，使左喷头低于右喷头而处于工作位置；当需要右喷头打印时，切换机构使右喷头低于左喷头。也有双喷头等高的设计，两个喷头的高度无需切换，避免了因切换产生机械定位不准而影响打印物体尺寸精度的问题，但这种结构的两个喷头调平困难，很容易刮伤已打印的模型，且喷嘴的流涎会严重影响模型的表面质量。

图1 双喷头原理图

喷头结构的优劣直接影响甚至决定了打印模型的精度和质量。双喷头系统性的研究资料较少，行业内没有一个准则来指导双喷头的设计，导致双喷头存在较多问题，无法满足使用需要，有必要对其进行研究，以指导实际应用。

本文提出以下双喷头设计准则：

1)双喷头能独立控温，两个喷头的温度互不影响。

双喷头打印的是两种不同的材料，温度参数会有较大差异，需要对两个喷头各自进行精确控温，才能保证不同丝料的正常熔融并挤出。

2)送丝机构应紧凑，避免使用复杂的机械结构，在满足送丝驱动力的要求下，机构体积和质量尽可能的小，以减少机构移动惯性。

3)切换机构应简单紧凑，精度高，避免使用复杂的机械结构。驱动电机不超过1个，限位传感器不超过2个。

双喷头切换机构的研究资料较少，目前主要采用以文献[7]、[8]和文献[9]为代表的切换方式。文献[7]、[8]通过一套复杂的机械结构实现两个喷头的高度切换。文献[9]通过电机和多个传感器分别对两个喷头单独驱动以实现高度切换。这两种切换形式结构复杂、实现成本高且控制复杂。

4)双喷头应有良好的冷却系统，以减少丝料高弹态长度并及时冷却打印的成型件。

3D 打印机在工作时，喷头加热块的热量会使打印材料提前软化而呈现高弹态，极大增加了送丝阻力。而丝料挤出时依然带有很高的温度，维持半熔融状态，需要及时冷却才不会影响下一层打印件的堆叠。目前的研究都未能有效解决打印材料提前软化和打印成型件及时冷却的问题，因此对喷头冷却系统的设计就显得尤为重要[10-11]。

5)双喷头整体结构紧凑合理，并易于安装、维护。

双喷头由送丝机构、切换机构、熔融流道、冷却系统等部分组成，它们是一个有机的整体，互相关联。在设计过程中应考虑整体的结构布局，减小喷头体积，增加成型尺寸。同时对喷头上的一些易 损零部件，如喷嘴等，设计时应考虑安装和维护方便。

2 单电机双喷头设计研究

2.1 单电机送丝机构设计

单电机送丝机构设计方案为仅采用一个电机并且不需借助其他外力实现两种丝料的交替输送，送丝机构没有复杂的机械结构，所有零部件也无需进行位置上的相对移动，避免了位置移动带来的误差和冲击。采用小齿轮驱动大齿轮的方式，降低了对驱动电机驱动力的要求，选择体积和质量不大的驱动电机即可满足要求。现在行业内普遍选择42系列的步进电机，本文选择28系列电机即可满足要求。送丝机构设计方案如图2所示，图中L表示左，R表示右。

1—主动小齿轮；2—被动大齿轮；3—丝料；

两个被动大齿轮对称布置在主动小齿轮两侧，分别与主动小齿轮啮合，三者的轴线处于同一水平面上。单向轴承与被动大齿轮过盈装配，两者之间不能相对转动。送丝轮轴紧配合穿过单向轴承内孔。送丝轮轴设计有V型槽，进丝时可为丝料提供精准的导向和较大摩擦力。压紧轮固定座通过扭簧使压紧轮将丝料紧紧地约束在送丝轮轴上的V型槽内，为丝料推进熔融流道内提供了足够的摩擦力。主动小齿轮和被动大齿轮采用标准直齿轮，参数见表1。

表1 齿轮参数

正常送料时，两个送丝轮轴被压紧轮压紧不能自由转动。主动小齿轮驱动两个被动大齿轮旋转，两个被动大齿轮旋转方向相同。由于单向轴承具有在一个转向上可以自由转动、而在另一个转向上锁死的特点，在送丝机构中起到关键的作用。正常送料时送料组件有如下两种工作状态：1)主动小齿轮逆时针旋转时，右侧的被动大齿轮2R顺时针旋转，单向轴承6R与送丝轮轴5R锁死，被动大齿轮2R带动送丝轮轴5R同步做顺时针转动，进而与压紧轮4R一起将右侧的丝料3R向下推送至熔融流道内；布置在左侧的被动大齿轮2L顺时针旋转，单向轴承6L绕送丝轮轴5L顺时针旋转，送丝轮轴5L静止不动，左侧的丝料3L也保持静止。2)主动小齿轮顺时针旋转时，由于单向轴承的作用，右侧的丝料3R保持静止，左侧的丝料3L被向下推送至熔融流道内。

2.2 切换机构设计

该切换机构的设计方案中，无需增加电机来提供切换所需的驱动力，无需利用传感器来保证切换后的定位精度，也没有复杂的机械切换结构，而是利用了FDM工艺的技术原理，在送丝机构将丝料推入熔融流道并挤出的过程中，丝料对熔融流道有一个较大的推力，本文设计方案充分利用了送丝机构的这个推力来进行喷头高度的切换，把切换机构嵌入熔融流道内。两个熔融流道设计成一个固定的、一个活动的，通过切换活动熔融流道的高度即可实现两个喷头的高度差。

送丝机构和切换机构协同方案如图3所示。送丝机构将丝料分别送至两个熔融流道内，当不同喷头打印时，送丝机构在送丝的同时，也完成了切换喷头的动作。

1—主动小齿轮；2—安装基板；3—压力释放推杆；4—压紧轮固定座；5—熔融流道安装座；6—活动熔融流道；7—固定熔融流道；8—喷嘴

图3 送丝机构和切换机构协同图

图3中固定喷头比活动喷头低一个高度Δh，处于工作状态。切换机构嵌入在活动的熔融流道内，此时切换机构处于向上切换的状态，如图4(a)所示。在压簧的作用下，T型隔热管顶面和出丝管内腔顶部贴合，活动喷头位于最高位置。

1—出丝管；2—T型隔热管；3—压簧；4—压簧定位座；5—丝料；

当活动喷头打印时，切换机构的切换状态如图4(b)所示。主动小齿轮逆时针旋转，送丝轮轴将丝料持续推进活动熔融流道熔融并挤出，丝料的行程如图5所示。在整个丝料送进过程中，送丝机构对丝料提供向下的推力以克服压簧弹性力，驱使T型隔热管向下将压簧压至最短处，此时整个活动熔融流道下降了2Δh的高度，固定喷头比活动喷头高Δh，活动喷头处于正常打印状态，完成了向下切换动作。

图5 丝料在熔融流道内行程

当活动喷头打印结束欲切换到固定喷头打印时，喷头在3D打印机的XY平面运动系统驱动下整体右移，在喷头外安装的固定块辅助下，压力释放推杆推动活动喷头的压紧轮使之完全释放对丝料的压力，送丝机构对丝料的推力消失，此时压簧还处于被压缩至最低点的状态，在压簧向上弹力的作用下，T型隔热管向上移动至图4(a)的状态，完成活动喷头向上的切换。切换精度取决于机械加工的精度，用传统方法即可有效保证切换精度。

为了减少热量向上传递，减少丝料高弹态的长度， T型隔热管采用非金属材料，如PEEK材料，隔热喉管选择导热系数低的材料，并且设计了一个突变结构，以减少热量向上的传递。同时在隔热喉管和T型隔热管外部设计有散热片，以降低温度，也使后续设计的风冷系统产生更好的散热效果。

2.3 冷却系统设计

冷却系统设计成一个半循环式的风冷系统，如图6所示。

1—轴流风扇；2—离心风扇；3—离心风扇导风槽；4—隔热喉管的突变处；5—散热片；6—轴流风扇导风槽

半循环式风冷系统由离心风扇、离心风扇导风槽、轴流风扇、轴流风扇导风槽组成。轴流风扇及其导风槽布置在散热片前方，轴流风扇吹出来的冷风可同时对散热片、隔热喉管的突变处进行强制风冷，使丝料在熔融流道内的高弹态长度尽可能缩短，以此降低对驱动电机驱动力的要求和堵塞打印头的风险。离心风扇导风槽布置在散热片后方，轴流风扇吹出来的冷风经过散热片后温度适当升高，然后进入到离心风扇，再由离心风扇导风槽吹向喷嘴下方打印好的模型表面，加快了挤出后熔融态丝料的冷却速度，也有效控制了模型因加速冷却引起的内应力增大的风险，提高模型的力学性能、打印精度和表面质量。轴流风扇采用3010系列，离心风扇采用5015系列，在工作中，通过调整风扇电流的大小即可控制系统的冷却效果。

2.4 整体设计

本文设计方案的实物图如图7所示，冷却系统相对独立，送丝机构、切换机构和熔融流道相互关联，结构紧凑。为了防止杂物掉入而影响送丝效果，可为送丝机构设计防护外壳，既美观又实用。整个双喷头仅有一个电机，没有复杂的机械结构，简单、可靠；比市面上常见的双喷头至少轻40%；常见的双喷头X方向的尺寸一般在90～100 mm，本文设计方案X方向的尺寸为60 mm，体积减小了30%～40%。

图7 双喷头实物图

本文设计方案打印的带支撑的模型如图8所示，模型白色部分为成型件，深色部分为支撑件。模型表面光滑，没有流涎等缺陷。部分打印参数见表2。

图8 打印的模型

表2 部分打印参数

3 结束语

鉴于双喷头系统性的研究资料较少，行业内也没有一个准则来指导双喷头的设计，本文提出并分析了FDM工艺的双喷头设计准则，并在这个准则的指导下对双喷头进行了设计：

1)仅用一个驱动电机并且不需借助其他外力即可实现两种丝料的交替输送，切换送丝的同时完成两个喷头高度差的切换，大大降低了挤出系统的体积、质量和成本。

2)切换机构嵌套在活动熔融流道内，利用打印时丝料对熔融流道的推力变化来进行喷头高度的切换。切换机构简单、紧凑，切换的精度容易保证。

3)设计了一个半循环式风冷系统，可使丝料在熔融流道内的高弹态长度尽可能缩短，降低了对驱动电机驱动力的要求和堵塞打印头的风险，提高了模型的力学性能、打印精度和表面质量。

本文设计的双喷头在实际生产应用中较好地满足了打印精度和可靠性等要求，证明提出的设计准则和设计方案是可行的。