第10期 2017年10月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2017)10015704
D0I:10. 13462/j. cnki. mmtamt. 2017. 10. 038
3D打印机喷头组件结构优化设计*
王君，陈红杰，龚雅静，汪泉，任军（湖北工业大学机械工程学院，武汉430068）
No.10 Oct.2017
摘要：针对3D打印机喷头组件的打印精度低和表面粗糙、安装不便、喷头易堵塞等问题，建立喷头组件装配模型，分析其模型特征。并结合傅里叶热传导定律，利用ANSYSworkbench对喷头组件进行热力学分析，经仿真分析和实践应用，对打印头组件和铁氟龙管的结构进行重新优化设计。最后将原始喷头组件和改进后的喷头组件进行比较，得到改善后的打印机喷头堵塞频次明显降低，流畅度更好，打印件表面质量也得到了提高，主要散热部件自身散热效率至少提高8.17%，为3D打印机的进一步推广和发展提供了参考。
关键词：3D打印机；喷头组件；温度场；铁氟龙管
中图分类号：TH161.4;TG506
文献标识码：A
Structural OptimizationDesignof PrintingNozzleAssemblyfor3DPrinter
WANG Jun, CHEN Hong-jie, GONG Ya-Jing, WANG Quan, REN Jun
(School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068,China)
Abstract: Aiming at the problems of low precision, surface roughness, inconvenient installation, and easy plug for 3D Printing nozzle assembly, this paper establishes a nozzle assembly model and analyzes the char-acteristics of model. Combined with the Fourier heat equation, it uses ANSYS workbench to thermodynamic analyze the nozzle assembly. This paper presents a way to re-optimization design of nozzle assembly and Teflon tube structure through the simulation analysis and practical application. Finally, compare the original nozzle assembly and the improved nozzle assembly. It proves that the nozzle clogging frequency of the print-er is obviously reduced, the smoothness is better and the surface quality of the print is improved. The cool-ing efficiency of the main cooling components improves to 8. 17% at least. This improved print nozzle as-
sembly provides a reference for the further popularization and development of 3D printer. Key words:3D printer; print nozzle assembly; temperature field; teflon tube
0引言
3D打印技术，又称为增材制造技术，是一种通过逐层打印来构造物体的技术12]。3D打印技术把快速成形与传统制造技术完美结合，其打印速度快，成型精度高、无污染等特点，使3D打印技术在航空航天、国防建设、医疗设备和教育行业等都得到了广泛应用。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。到目前为止，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。MackenzieMB 等[3]开展了对3D打印机喷嘴的失效分析，最终确定了故障的位置在头部的喷嘴和螺纹部分的分离，增加了冒口应力，使在这一点处的氢氧脆化加剧，并最终得出喷嘴合理的结构设计和材料选择：王利等[4]利用 ANSYS对喷头进行了热力场和应力场的数值模拟仿
收稿日期：2017-07-11
真分析，得出控制好温度、使用合适的材料、正确的操作以及对喷头的目常维护和清理，能够提高试件打印表面质量和精度，并减少广喷头堵塞的频次：汪铁丰等[3]针对FDM打印设备材料挤出不稳定等问题，进行相关研究，最终在有限元传热分析的基础上结合正交试验分析对喷头装置中自散热结构进行了优化，确定了散热片直径和高度的最合理化尺寸；WangY等[6]针对高精度喷嘴的结构设计和工艺规划，利用CAD和 CFD对喷嘴结构进行了严密的分析，并最终提出了有效的喷嘴的设计理念和设计方案。上述很多研究者主要针对了对打印喷头和喷头材料的设计和研究，较少涉及到对3D打印头组件结构和铁氟龙管进行热力学分析，本文旨在利用傅里叶传热定律先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，发现堵塞情况主要集中在铁氟龙管处
*基金项目：国家自然科学基金项目（51405140）；湖北省自然科学基金重点项目（2015CFA112）和潮北省教育厅优秀中青年科技创新团队
万劳数糖）联合资助
作者简介：至奢（i%77—），男，湖北薪春人，湖北工业大学教授，研究方向为机构学及机器人技术，（E-mail)junwang@mail.hbut.edu.en