熔融沉积成型工艺的单电机双喷头设计研究

张海强1,2，杜俊斌1,2

(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)

基金项目：广东省重大科技计划项目(2015B010124005，2015B090920005)；广州市科技计划项目（201710010141）

作者简介：张海强（1982—），男，高级工程师，硕士，主要研究方向为增材制造装备、智能制造,9874BF@163.com.

摘要：介绍了FDM工艺3D打印的工作原理。双喷头是FDM工艺3D打印装备核心的部件，提出了双喷头的设计准则，在设计准则的指导下，设计了无需借助任何外力的单电机送丝机构、利用丝料推力的内嵌式切换机构和半循环风冷系统，整个双喷头仅用一个驱动电机即可完成两个喷头交替送丝、切换等功能，实现两个打印头之间的自动切换打印，并且结构简单紧凑、动作精准。在实际生产中的应用证明了双喷头设计准则和设计方案是可行的，为FDM工艺的双喷头设计提供了依据，具有较高的工程价值。

关键词：FDM工艺；设计准则；单电机；双喷头

中图分类号：TH122；TH16   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)01-0052-05

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。

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