3D打印喷头的结构设计

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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