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熔融沉积3D打印机的喷头机构优化设计熔融沉积（FDM）3D打印技术是一种常用的快速原型制造方法，其主要原理是将熔融状态的材料通过喷头喷射到工作台上逐层堆积，最终形成零件的三维形状。
喷头作为整个系统的核心部件，其设计优化对于提高打印质量以及工作效率具有重要意义。
在传统的FDM 3D打印技术中，喷头主要由喷嘴和熔胶挤出器构成。
喷嘴的主要作用是将熔体材料均匀地喷射到工作台上，并控制喷射的流量和速度。
熔胶挤出器则负责将固态材料加热并将其融化成熔体，供喷嘴使用。
现有的喷头机构在设计上存在一些问题，例如打印速度慢、打印质量不稳定、易堵塞等。
为了优化喷头机构的设计，可以从以下几个方面进行改进。
可以考虑优化喷嘴的结构。
传统喷嘴通常采用圆形的出口，这样容易造成熔融材料在喷射过程中的混合和分散不均。
可以尝试设计一种形状更复杂的喷嘴，例如多边形或扁平形状的出口，以提高喷射的均匀性和稳定性。
可以改进熔胶挤出器的结构和加热系统。
目前的熔胶挤出器通常采用加热丝来加热固态材料，但这种传统的加热方式往往会导致材料加热不均匀，造成喷射过程中的堵塞和流量不稳定。
可以考虑采用更先进的加热方式，如电磁感应加热或激光加热，以提高加热效率和均匀性。
可以考虑引入传感器和控制系统来监测和调节喷头的工作状态。
可以在喷嘴和熔胶挤出器上安装温度传感器，以实时监测熔体的温度，并通过控制系统自动调节加热功率。
可以在喷头的出口处安装流量传感器，以监测喷射过程中的流量变化，并进行实时控制和调节。
可以考虑将多个喷头组合起来，以实现多材料复合打印。
传统的FDM 3D打印技术一般只能使用一种材料进行打印，而将多个喷头组合起来可以实现多材料的同时打印，从而扩大了打印材料的种类和应用范围。
通过优化喷头机构的设计，可以提高熔融沉积3D打印技术的打印质量和工作效率。
未来的研究可以进一步深入探索喷头机构的优化设计，并结合材料科学、流体力学和控制技术等相关领域的知识，开发出更加高效和稳定的喷头机构。
熔融沉积3D打印机的喷头机构优化设计1. 引言1.1 背景介绍优化设计能够解决喷头机构存在的问题，提高打印质量和效率。
通过优化设计方案，可以改善喷头的结构设计，提升喷头的耐久性和稳定性。
优化设计还可以优化喷头的热控制系统，使喷头温度更加稳定，并减少喷头堵塞的情况。
通过实施优化设计，可以有效提高熔融沉积3D打印机的性能，满足不同领域对打印质量和效率的需求。
本文将探讨喷头机构的组成、存在的问题，提出优化设计方案，并讨论优化设计的实施和效果以及关键技术。
通过对喷头机构的优化设计，可以为提高熔融沉积3D打印机的性能和应用范围提供有力支持。
1.2 研究意义喷头机构作为熔融沉积3D打印机的核心部件之一，直接影响着打印质量和效率。
对喷头机构进行优化设计具有重要的意义。
优化设计可以提高打印精度和速度，使得打印的产品更加精细和快速。
优化设计可以降低打印过程中的能耗和材料损耗，节约资源并减少成本。
优化喷头机构的设计还可以改进打印机的稳定性和可靠性，减少故障率，延长设备的使用寿命。
通过对喷头机构进行优化设计，不仅可以提高熔融沉积3D打印技术的技术水平，同时也有助于推动3D打印技术在工业生产中的应用。
随着工业4.0的发展，3D打印技术越来越受到重视，将在制造业中发挥越来越重要的作用。
对喷头机构进行优化设计，对提高我国制造业的竞争力和技术水平具有重要意义。
优化设计也为未来进一步研究喷头机构和熔融沉积3D打印技术奠定了基础，有助于拓展研究领域，推动技术创新。
2. 正文2.1 喷头机构的组成喷头机构是熔融沉积3D打印机中一个至关重要的部件，其主要功能是将熔化的材料均匀地喷射到打印平台上，从而形成所需的打印结构。
通常，喷头机构由喷嘴、加热器、热敏元件、挤出机构等几个部分组成。
喷头机构的组成对于打印质量和效率具有至关重要的影响。
喷头的设计需要考虑材料的流动性，喷嘴的形状和尺寸应该能够确保材料能够均匀地喷出，而加热器和热敏元件则需要能够精确地控制温度，以确保材料可以在正确的温度下熔化并喷射。
熔融沉积3D打印机的喷头机构优化设计【摘要】本文针对熔融沉积3D打印机的喷头机构进行了优化设计研究。
在文章介绍了研究的背景、意义和目的。
在对喷头机构现状进行了分析，并提出了优化设计方案，包括喷头结构优化、喷头材料选择、喷头温控系统优化和喷头喷嘴设计优化。
在对优化设计效果进行了评价，提出了未来的展望，并总结了整个研究的成果。
通过本研究，可以提高熔融沉积3D打印机的打印效率和打印质量，为相关领域的研究和应用提供技术支持和参考。
【关键词】熔融沉积3D打印机, 喷头机构, 优化设计, 喷头结构, 喷头材料, 温控系统, 喷头喷嘴, 效果评价, 未来展望, 总结1. 引言1.1 背景介绍熔融沉积是一种常用的3D打印技术，喷头作为熔融沉积3D打印机的重要组成部分，直接影响着打印质量和效率。
目前市面上的熔融沉积3D打印机喷头存在一些问题，如喷头堵塞、打印速度慢、打印精度低等。
对喷头机构进行优化设计是非常必要的。
喷头机构的优化设计可以通过改善喷头结构、提高喷头材料的耐磨性和导热性、优化喷头的温控系统等方面来实现。
通过优化设计，可以提高喷头的耐用性和稳定性，提高打印速度和精度，从而提升整体的打印效率和质量。
本文旨在通过对喷头机构的现状分析、优化设计方案的探讨和实施，来改善熔融沉积3D打印机喷头的性能，提高打印效率和质量，为熔融沉积3D打印技术的发展提供有力支持。
1.2 研究意义3D打印技术是一种快速发展的制造工艺，通过将数字模型转化为物理实体，实现了快速原型制造和定制化生产的可能。
而喷头作为3D 打印机的核心部件之一，对于打印效果和速度起着至关重要的作用。
对喷头机构进行优化设计具有重要的意义。
优化喷头机构可以提高打印精度和速度，从而提高生产效率。
通过优化设计，降低喷头与打印层之间的距离，可以减少打印过程中的误差，提高打印精度。
优化喷头结构可以提高打印速度，缩短打印周期，进一步提升生产效率。
优化喷头设计还可以降低成本，提高机器稳定性。
3D打印技术中的热熔喷头设计与优化方法研究随着科技的进步，3D打印技术逐渐成为一种重要的制造方法。
热熔喷头作为3D打印技术中的核心组件之一，其设计与优化对于打印效果以及打印速度具有重要影响。
本文将探讨热熔喷头的设计原理、优化方法以及目前存在的挑战。
热熔喷头是3D打印机中将热塑性材料加热熔融，并通过喷嘴进行喷射的关键设备。
其设计包括加热元件、导热结构、喷嘴尺寸等多个方面。
首先，加热元件的选择与设计直接影响到热熔喷头的加热效果。
常见的加热元件包括电阻丝、热风枪以及半导体器件等。
其次，导热结构的设计在热熔喷头温度均匀性和热融化材料的流动性方面起到重要作用。
优化导热结构可以提高喷头的散热性能，从而避免喷头温度过高，延长热熔喷头的寿命。
最后，喷嘴尺寸的设计会直接影响到打印的精度和速度。
合理设计喷嘴的直径和长度，可以满足不同打印需求下的要求。
热熔喷头的设计与优化方法有多种。
一种常用的方法是数值模拟。
通过计算流体力学（CFD）模拟，可以直观地观察热熔喷头中温度和流动场的变化，从而指导设计优化。
此外，有学者利用有限元分析（FEA）对热熔喷头的热传导过程进行仿真，以提高热熔喷头的温度均匀性和稳定性。
另外，实验方法也是研究热熔喷头设计的重要手段。
通过实验测试，可以验证数值模拟的准确性，同时了解各设计参数对打印质量的实际影响。
这些方法相辅相成，为热熔喷头的设计与优化提供了有效的工具和手段。
然而，热熔喷头设计与优化中还存在一些挑战。
首先，如何实现高精度打印仍然是一个具有挑战性的问题。
由于热熔喷头的喷嘴直径有限，打印时容易出现精度不高甚至失真的情况。
其次，热熔喷头的耐磨性和寿命问题也需要进一步研究。
由于打印过程中携带颗粒材料，热熔喷头的喷嘴容易受到磨损，影响其使用寿命。
此外，在多材料打印以及多喷头打印方面，热熔喷头设计的复杂性也提出了新的挑战。
总结而言，热熔喷头在3D打印技术中起到至关重要的作用，会对打印效果和速度产生直接的影响。
D打印机喷头组件结构优化设计在D打印领域，喷头组件的结构对打印质量和效率有着至关重要的影响。
本文将介绍D打印机喷头组件的基本结构，并探讨如何对其进行优化设计，以提升打印质量和效率。
D打印机喷头组件主要由喷头、通道和墨滴组成。
喷头是负责产生墨滴的关键部件，内部通常包含加热元件和墨水腔。
通道则负责将墨水从墨水腔输送到喷头，以确保墨滴的连续输出。
而墨滴则是由喷头在特定时间内挤出的液滴，其大小和形状直接影响打印质量。
为了提高D打印质量和效率，我们对D打印机喷头组件结构进行以下优化设计：喷头加热设计：我们通过改进加热元件的结构和材料，提升加热速度和效率。
我们还优化了加热元件与墨水腔之间的热传导性能，以减少加热时间，并确保墨水在短时间内达到适宜的打印温度。
喷头清洗设计：在优化清洗机构的同时，我们尝试减少清洗时间。
具体来说，我们采用高效清洁剂和改进的清洗流程，提高清洗效果，以防止清洗过程中对喷头造成的损害。
喷头防堵设计：通过改变通道结构和材料，减少杂质进入喷头的可能性。
我们还开发了一种自清洁功能，即在打印过程中自动清理喷头，以防止墨水凝固堵塞通道。
喷头使用寿命：我们通过改进喷头内部结构设计，提高其使用寿命。
我们还研发了一种耐磨、耐腐蚀的喷头材料，以降低喷头磨损和腐蚀速率。
同时，我们优化了喷头的维护流程，制定合适的更换周期，降低维护成本。
为验证上述优化设计的效果，我们进行了一系列实验。
实验结果显示，经过优化设计的D打印机喷头组件在打印质量、效率以及使用寿命等方面均取得了显著提升。
具体来说：优化喷头加热设计后，加热速度和效率提高了20%，减少了加热时间，同时保证了墨水在短时间内达到适宜的打印温度。
这使得打印过程更加顺畅，减少了由于温度不适宜而导致的打印错误。
通过改进清洗机构和流程，清洗效果提升了30%，清洗时间缩短了20%。
这减少了清洗过程对喷头的损害，延长了喷头的使用寿命。
采用防堵通道设计和自清洁功能后，喷头堵塞的问题得到了有效解决。
熔融沉积3D打印机的喷头机构优化设计随着3D打印技术的发展，熔融沉积3D打印机越来越受到人们的关注。
其中喷头机构是熔融沉积3D打印机的一个重要组成部分。
喷头机构的性能直接影响着打印成品的质量。
本文将介绍熔融沉积3D打印机喷头机构的优化设计。
熔融沉积3D打印机的喷头机构主要由热端和冷端组成。
热端主要负责将原料（如ABS、PLA等）加热熔化并喷出来，而冷端则用来冷却和固化已经喷出的材料。
为了提高喷头机构的性能，需要从以下几个方面进行优化设计。
首先，要优化喷头机构的加热元件。
传统的加热元件多采用加热棒或者加热丝。
但是这种设计存在着温度分布不均匀、加热时间长等缺点。
因此，可以采用PTC电热陶瓷加热片或者半导体恒温控制加热器等新型加热元件，这些加热元件具有温度稳定、加热速度快等优点，可以大大提高喷头机构的加热效率。
其次，要优化喷头机构的喷嘴结构。
现在的喷嘴结构主要有直径为0.3mm、0.4mm、0.5mm等。
通过对不同直径的喷嘴进行对比实验，可以得出最适合的直径。
同时，喷嘴的材料也很重要，常见的材料有黄铜、不锈钢等，不同材料的热传导性能不同，要选择最合适的材料。
此外，在喷嘴的设计上，也可以加入螺纹结构，可以使原材料更加均匀地流出来，从而提高喷头机构的打印精度。
然后，要优化喷头机构的冷却系统。
目前常见的冷却系统主要有风扇和水冷两种方式。
风扇冷却简单、成本低，但是效果不如水冷。
水冷可以以更高的效率将热量带走，并且噪音更小，但是需要增加水泵、水箱等额外设备。
因此，要根据实际需求和经济成本选择合适的冷却方式。
最后，还要注意喷头机构的维护保养。
因为喷头机构中会有很多杂质和堵塞物，会影响打印效果。
因此，需要定期对喷头机构进行清洗和维护，避免出现故障。
总之，优化熔融沉积3D打印机喷头机构的设计可以大大提高3D打印品质，从而更好地满足市场需求。
通过不断地改进和优化，相信熔融沉积3D打印机的喷头机构会越来越完善。
熔融沉积3D打印机的喷头机构优化设计一、现有喷头机构存在的问题熔融沉积3D打印机的喷头机构通常由喷嘴、加热器、温度传感器和挤出机构等部件组成。
在使用过程中，喷头机构会面临一些问题，例如堵塞、温度不稳定、打印速度慢等。
这些问题会直接影响到打印质量和效率。
1. 堵塞问题在使用过程中，由于打印材料的粘度较大，容易导致喷嘴堵塞的问题。
一旦喷嘴堵塞，就会导致打印中断，严重影响打印效率和产品质量。
2. 温度不稳定问题喷头机构中的加热器和温度传感器对于维持打印材料的恒定温度非常重要。
由于加热器和温度传感器的设计不合理，或者因为工作环境的影响，可能导致温度不稳定的问题，进而影响到打印质量。
3. 打印速度慢喷头机构的设计不合理，会导致打印速度慢。
在实际生产中，打印速度的快慢直接影响到生产效率和成本。
以上问题的存在严重影响了熔融沉积3D打印机的工作效率和产品质量，因此需要对喷头机构进行优化设计。
二、喷头机构优化设计的原则优化喷头机构的设计，可以提高打印速度。
在保证打印质量的前提下，提高打印速度可以显著提高生产效率，降低生产成本。
2. 提高稳定性通过优化喷头机构的设计，可以提高加热器和温度传感器的稳定性，使得打印材料的温度能够保持在一个恒定的范围内，保证打印质量。
通过优化喷头机构的设计，可以有效预防喷嘴的堵塞问题，保证打印的连续性和稳定性。
基于以上原则，喷头机构的优化设计应该注重提高打印速度、提高稳定性和防止堵塞问题。
1. 喷嘴设计喷嘴是喷头机构中最关键的部件之一。
为了提高打印速度，可以通过优化喷嘴的结构设计，使得打印材料能够更加顺畅地流出。
还可以采用防堵塞的喷嘴设计，减少堵塞的可能性。
2. 加热器和温度传感器设计3. 挤出机构设计挤出机构是喷头机构中的关键部件，直接影响打印速度和打印质量。
通过优化挤出机构的设计，可以提高打印速度，保证打印材料的均匀挤出。
以上方法可以通过CAD软件进行模拟设计和仿真分析，找出最优的设计方案。
熔融沉积3D打印机的喷头机构优化设计熔融沉积3D打印技术是一种基于激光熔化、电弧熔化或等离子体熔化等热源，将金属或复合材料粉末逐层熔融并形成所需构型的制造方法。
在这种制造过程中，喷头作为关键部件，对于打印质量和效率有着重要的影响。
本文旨在对熔融沉积3D打印机的喷头机构进行优化设计，提高其性能、精度和可靠性。
1. 喷嘴材料选择熔融沉积3D打印中常用的喷嘴材料是钨钢、钴铬合金、不锈钢等。
对于高温、高压和腐蚀性物质的打印，钨钢喷嘴是首选，因为它的硬度和韧性相对较好，能够抵御高温腐蚀和磨损。
2. 喷嘴内腔形状优化喷嘴内腔是粉末输送和熔融均匀性的关键因素。
现有的喷嘴往往存在内腔圆形度不够、孔径大小不一致等问题，因此需要对其进行优化设计。
例如，采用创新的曲线构造来改变孔径，或是根据打印过程的特点调整孔径大小和形状等。
3. 喷嘴系统温度控制熔融沉积3D打印中，喷嘴温度直接影响打印速度和精度。
喷嘴系统需要能够快速达到设计温度，因此需要加入热电偶和热控制系统以确保温度精度和均匀性。
4. 喷嘴清洁机构设计喷嘴在打印过程中会受到粉末和残留物的侵蚀，导致堵塞和损坏，影响打印质量和效率。
因此，需要设计一套喷嘴清洁机构，能够对喷嘴进行及时清洗和维护。
常见的清洗方法包括机械清洗、化学清洗和气体清洗等。
5. 喷嘴压力传递优化喷嘴压力传递是熔融沉积3D打印中的重要环节，需要确保喷嘴能够稳定地输送粉末和保持一定的压力。
优化喷嘴之间的连接和紧密度，采用合适的密封材料和结构以防止粉末泄漏和熔融不均匀性。
总之，优化设计熔融沉积3D打印机的喷头机构是提高打印质量、效率和可靠性的重要手段。
通过对喷嘴材料、内腔形状、温度控制、清洁机构和压力传递等关键环节的优化，可以实现更高的制造精度和效率，推动熔融沉积3D打印技术的进一步发展。
熔融沉积3D打印机的喷头机构优化设计
熔融沉积3D打印机通过加热成分料为熔融状态，并通过喷嘴均匀地挤出到打印平台，实现三维物体的制造。
喷头作为熔融沉积3D打印机的重要组成部分，直接影响其输出质量和打印速度。
因此，喷头机构优化设计关系到打印机打印质量和效率的提升。
本文针对目前熔融沉积3D打印机喷头机构存在的问题，提出了一种优化设计方案。
主要思路如下。
首先，对现有的喷头机构进行分析。
喷头机构主要由照明部分、喷嘴、送丝机构和供电部分组成。
其中，送丝机构包括了滚轮、推杆和托架，其功能是挤出熔融物料，使其均匀喷涂于打印平台上。
接着，针对现有喷头机构存在的问题进行总结。
现有的喷头机构存在送丝不均匀、喷嘴易堵塞和喷嘴移动不精准等问题，影响了打印质量和效率。
在此基础上，提出优化设计方案。
首先，对送丝机构进行优化。
目前的送丝机构仅依靠滚轮挤压杆料，易造成送丝不平衡。
方案中引入了另一个滚轮，可以更好地控制送丝量且保证送丝均匀。
其次，对喷嘴进行优化。
常规的圆锥型喷嘴容易发生堵塞的情况。
方案中采用的是锥度小的针式喷嘴，熔融物料可以更加顺畅地流动，减少了堵塞风险。
最后，对喷嘴移动机构进行优化。
目前的喷嘴移动机构只能进行简单的平移运动，无法进行多方向的运动。
方案中提出的机构可以控制喷嘴的旋转、倾斜和上下移动，使喷嘴更加精准地喷涂，提高打印质量。
综上，本文提出的优化设计方案可以有效解决现有喷头机构存在的问题，提升熔融沉积3D打印机的输出质量和打印速度。
但是还需要在实际应用中进行验证，并结合其他相关因素进行优化。
解析3D打印喷头的热力学分析与结构优化设计
构，使其在提高打印表面精度的同时制造成本也大大降低。
熔融沉积造型3D打印喷头工作原理
打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称添加制造。
熔融沉积造型采用热熔喷头，使处于半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤压并堆积在指定的位置凝固成原型，逐层挤出堆积，凝固后形成整个原型或零件。
其组成系统包括：高精度机械系统、数控系统、喷射系统、成型环境等。
本文所研究内容主要涉及喷射系统。
基于熔融沉积制造技术的3D打印机喷头的工作原理如图1所示，
3D打印机喷头由定位区、进给区、熔丝区和增材区组成。
定位区作用是使丝
料初定位，让丝料能准确流畅地进入进给区；进给区由主动齿轮和从动轴承轮组成，两轮中间保持特定的间隙，间隙大小值要足以使丝料在两轮的夹紧摩擦力F作用下向前稳定运动；熔丝区由喉管通道、稳定架、隔热层和加热块组成，在此处未熔化的丝料和熔融状的丝料在通道中形成活塞作用，迫使丝料从喷嘴喷出；增材区由喷嘴、工作台和工件组成，在增材打印过程中，X、Y方向由喷头运动控制，Z方向即每层打印厚度由工作台上下运动控制。
从其原理可知，造成打印表面精度差的原因在于喷头在X、Y向的运动，本文不研究控制喷头运动的电机精度和丝杠传动精度
等因素，而从喷头由于加热块高温引起的在X、Y向变形量展开研究，进而为优化
改进喷头机构提供理论依据。
2仿真分析
2．1喷头几何模型建立及边界条件设置
3D打印喷头主要采用三种材料：铝、铜、铁，从ANSYS自带的工程材料数据库中依据零件的要求，选择相应的材料AluminumAlloy（铝）、CopperAlloy （铜）、StructuralSteel（铁），在热分析中主要涉及材料的热导率、比热容、辐射系数等，由于本文计算模型的结构都不是太复杂，同时计算温度场的面积又比较大，所以选择结构化网格进行划分。
由于喷嘴、喉管及加热块部分相对于整体温度场域，面积较小，所以在喷嘴、喉管、加热块区进行网格细分，可以保证较高的计算精度。
边界条件设置：热分析中的边界条件包括温度、对流、辐射等，针对本文3D打印机的工作环境（打印ABS件），选择加热块加热处为300℃温度边界，电机底部为22℃边界，传热方式为接触面的热传导；选择稳定架和发热块的表面为有热辐射表面，辐射系数为0．3，热传导系数由各部件材料决定，在ANSYS库中可以添加。
2．2分析热量分布和温度场对喷头变形的影响
根据上述研究，通过ANSYS软件进行仿真试验，试验条件对试验结果的影响分析如下。
2．2．1温度分布对喷头变形的影响
从热膨胀原理知道，如果金属部件受热不均匀，两侧温度上升不一致，当上侧温度高于下侧时，金属部件上侧的膨胀量大于下侧的膨胀量，从而使金属部件向下弯曲，产生了热变形。
热膨胀即材料因其固有的热膨胀率而产生的体积变化，它是膨胀产生的最主要原因，由热膨胀引起的膨胀量为：△L＝δ（L＋△／2）△t ［8］（1）式中：δ为材料的线膨胀系数，℃－1；L为零件X、Y方向的尺寸，mm；△t为温差，℃；△为制件的公差，mm（按留有加工余量进行取大补偿）。
由图1知，3D打印喷头的误差敏感方向是在X轴和Y轴方向上，即在这两个方向上的变形将直接影响喷头的打印精度。
3D打印喷头的稳态温度分布场仿真结果如图2所示，
图2（a）表示喷头的温度场分布云图，图2（b）表示喷头的总变形图。
总结图2可得表1所示的数据。
其中，重要部件电机上的温度最高达到238℃，这对电机的工作性能和寿命影响很大。
总结表1，根据热膨胀变形规律可以得出，此种结构的喷头存在明显的温度差，导致稳定架和散热片在喷头打印敏感方向上产生热变形，由图2（b）可以看出，最大变形量发生在稳定架上，其在X方向上的变形量最大，达到了0．298mm，这对安装在其上的喷头打印精度产生很大影响。
此外，由于被用来融化材料丝的温度大面积传递到其它零件上，因此造成热量的流失。
2．2．2总结热分析结果分析喷头热量分布的合理性
当物体内部存在温差，即存在温度梯度时，热量从物体的高温部分传递到物
体的低温部分称为热传导。
若是不同物体相接触，热量则会从高温物体传递到低温物体。
热传导遵循傅里叶定律：q＊＝－Knn坠T坠n（2）式中：q＊为热流密度；Knn为导热系数；坠T坠n为沿n向的温度梯度；T为温度；n为温度分布图
中的法向方向；负号表示热量流向温度降低的方向。
物体通过电磁波来传递能量
的方式称为辐射，物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。
系统中每个物体同时辐射并吸收热量，它们之间净热量传递可以用斯忒藩－波耳茨曼方程来计算：q＝εσA1F12（T14－T24）（3）式中：q表示热流率；ε表示辐射率；σ为斯忒藩－
波耳茨曼常数；A1表示辐射面1的面积；F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数；T1为辐射面1的绝对温度；T2为辐射面2的绝对温度。
由式（1）知，图2结构的喷头可明显导致零件材料本身的热变形，从而造成在敏感方向X、Y方向的变形，
影响喷头打印精度。
依据整体热变形云图看，最大变形量发生在稳定架上，并且由于打印喷头定位安装在其上，因此稳定架的变形量将直接作用在打印误差敏感方向上，分析其原因是由于加热块与稳定架直接面接触，本文经过3D打印喷头仿真实验，在所有的热量传递方式中，面接触传导对喷头的变形影响最大，辐射影响相对很小，因此，在优化喷头零件之间的布局时，可以采用增多热辐射形式，减少大温度差的面接触形式。
3结构优化
3．1依据分析结果改进喷头
影响3D打印喷头打印精度的结构因素比较多，包括主动轮与从动轮之间的摩
擦力大小、丝料通道的几何特征等。
本文主要围绕其结构敏感方向上的热变形和制
造成本展开研究，并根据以上分析总结，对喷头作优化改进，主要改进稳定架、送丝导轮机构等重要部件，改进后的模型与之前不同之处表现在：
①加热块与稳定架保持8～10mm的距离，优点是热传递方式由原来的面接触热传导变成热辐射型；
②稳定架单独固定在电机上；
③送丝导轮机构安装高度高于稳定架5mm。
根据式（2）和式（3）以及仿真实验知，在同一种温度传递形式下，热传导的热流率要远比热辐射多，由此传递到电机、稳定架、散热片上的温度也将大减，因此，这种布局将有助于减少喷头的热变形和有效利用热量，如图3所示。
3．2改进前后模型热力学仿真对比
对改进后的喷头在同样的温度载荷、边界条件和材料的环境下进行ANSYS热力学仿真实验，仿真结果如图3所示。
对比图2（a）和图3（a），可以看出温度分布产生明显变化，其中重要部件电机上面的温度降低至常温，并且消除了温度梯度，保证电机工作环境稳定安全；对比改进前后稳定架上承载的温度分布，温差明显下降，从原来的最高温度270℃降至83℃，几乎消除稳定架材料的变形量，从而保证在误差敏感方向上变形最小；发热铜块温度分布集中在加热块上，分布均匀，可以高效率利用熔化丝料的热量；改进后送丝导轮机构上温度控制在50℃以下，因此可以选择较为经济的材质制造，比如选择塑料件。
对比图2（b）和图3（b），图2（b）中的最大变形量发生在稳定架上，变形量达到0．298mm，基于喷嘴安装在其上，所以这些变形量将直接导致喷头打印误差。
改进后由图3（b）看出，敏感元件稳定架的变形量降至最大0．034mm，变形量减至原来的12．5％，从图3（b）中看出最大变形量发生在加热块，由于加热块是安装在喷嘴上，其自身变形对喷嘴几乎不产生影响；此外喷嘴的变形主要作用在喷头打印方向即Z轴方向，不在敏感方向X、Y上。
因此，可以总结出此种布局的喷头变形量相对于未改进的喷头大大降低，从而提高3D打印喷头的打印精度。
改进前后各零件温度对比与变形量对比见表2，从表2可看出，改进后喷头各关键零件的温度和最大变形量都明显降低，因此，有利于提高打印精度和有效利用热量。
3．33D打印喷头的优化定型设计
3D打印喷头在实际生产制造中的成本对3D打印产业化尤为重要，喷头结构
中要求最高的属送丝导轮机构，因此必须不断降低成本，优化其结构，促使其制造简单并且打印效率高。
图4是上文所提喷头的送丝导轮机构，图4中安装从动轮的4mm细轴和2mm的凹凸槽在传统的机床上很难加工，并且主动轮与从动轮之间的间隙要求很精密，因此要加工制造出这种细小并高精度的零件势必会增加3D打印喷头制造成本。
为此，重新设计一种如图5所示中的送丝导轮机构，其中安装固定从动轮的轴用M4螺钉，从动轮的上下定位采用2mm垫片，从动轮与主动轮之间的间隙由安装M4螺钉孔的位置决定，因此只要保证能铣出位置精度合格的孔就能满足间隙要求，这比加工出细小轴要容易得多，这种结构的另一个好处是，根据零件的互换性，当固定从动轮的轴磨损或折断时，不必重新更换整个送丝导轮机构，只需更换M4螺钉即可，因此采用这种结构的送丝导轮机构可以大大降低3D打印喷头的制造成本，同时保证打印效率和精度。
经仿真分析与送丝导轮机构的结构分析与优化，得出如图5所示的新型3D打印喷头。
通过实际制造和在3D打印机中的使用，该型3D打印喷头具有制造成本低、打印效果好的优点，可以满足3D打印产业的生产要求。
结论
为了研究熔融沉积造型3D打印喷头在打印过程中存在的热结构不合理引起的打印精度差等问题，本文采用了热力学分析和结构的优化设计理论，针对影响打印3D喷头打印精度和制造成本的诸多因素展开研究，将材料热力学分析应用到实际制造生产中，通过把加热块单独定位安装和送丝导论机构的结构改进设计，结合仿真实验和实际生产使用，使新型的3D打印喷头变形量降低至现有喷头的12．5％，表面温度分布合理，结构工艺简单实用，为进一步提高3D打印喷头打印误差和降低制造成本，奠定了理论和实际应用基础。
