3D打印头是实现打印设备具体功能的主要部件,用于耗材的进料及加热出丝,是保证打印质量的基本条件。打印头的具体形式需要根据实验进行设计,基本构成零件有支撑架、喉管、加热块、喷嘴等,都是可更换零件,这也使得打印头有较大的使用寿命。这次我们设计了两种打印头结构,一种是直接带电机的近端送料打印头,用于打印柔性材料,包括TPU、橡胶等材料,加热温度在250°C以下;另一种是不带电机的远端送料打印头,用于打印工程塑料,包括PEEK、PA等材料,加热温度在420°C以下。两种打印头可以根据耗材需要进行模块化更换。
从基本构成来看,两者加热部分一致,喉管有所区别。带电机打印头用的金属喉管,内部嵌有耐高温材料I,用于低阻力进料。喉管连接加热块和支撑铝块。此外喉管边上有风扇进行散热,喉管长度尽可能缩短,这样可以防止柔性耗材进料软化现象。不带电机打印头采用“金属+耐高温材料II”喉管,同时连接加热块和支撑铝块。由于工程塑料的加热温度过高,若只釆用金属喉管,则整体温差过大,会影响进料稳定。因此,采用金属+耐高温塑料包裹形式可以避免热量的集中,经过实际的测试已得到验证。此外远端进料可以减轻打印头的质量,从而提高打印速度和制件精度。
为了进一步说明打印头工作过程,给出带电机打印头的装配示意图。塑料耗材通过步进电机的送丝轮进入到支撑孔,随后依次进入连接件、喉管、加热块和喷嘴。加热块有两个加热孔和热电偶孔,单个加热管功率不够,所以采用两个规格为Φ6*20的金属加热管,工作电压12V,功率为40W。温度传感器选用规格为Φ3*15的K型热电偶,测温范围为0-600°C,内玻璃纤维外不锈钢金属网丝屏蔽,导热性能良好。特氟龙管规格为Φ6*1*25,放置于喉管内部,一端靠近喷嘴,一端靠近连接件。喉管规格为M6-6,铝合金材质,其中缩颈端外径为4mm,长度为3mm,缩颈端用于卡住隔热快,隔绝一部分热量。加热块和喷嘴均采用黄铜制作,因为铜的导热性较高。加热块开有两个加热孔,一个热电偶孔,外形尺寸要尽量设计小,可以达到迅速升温过程;喷嘴圆锥端内径设计为Φ0.4mm,中间的过渡段角为45°,总长为5mm,由于喷嘴涉及到成型出丝过程,因此合适的结构参数很重要。
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