FDM工业机风冷系统的设计

张 乐，马 睿

（宁夏共享集团股份有限公司，宁夏银川750021）

FDM简称为熔融沉积成型，是用高温将材料熔化成液态，通过挤出头挤出后固化，最后在立体空间内排列成立体实物。FDM是3D打印技术中的一种，所以他的基本原理与3D打印是一样的，采用层叠堆积方式，将固体颗粒或者固体丝状物通过一个装置进行加热，使其变成液体再从挤出头挤出冷却成固体[1]。铺完第一层以后，第二层刚刚熔化出来的固体会与第一层粘接成型，每成型一次，工作台下降一个高度或者打印头提高一个高度，继续熔融沉积，最终完成整体的实体造型。市面上最为常见的是FDM桌面机，因其价格低廉而被广泛制作，但其材料成本高，打印效率低，因此，FDM工业机被制作，用于模具制造、艺术设计等多种场所[2]。

1 FDM现有风冷的缺点

FDM工业机区别于桌面机在于使用的是颗粒料，通过把颗粒状的PLA材料加入到一个有一定空间的型腔中，通过加热装置对型腔加热，同时挤压熔融状态的PLA材料，通过打印头挤出，打印装置按照程序设定移动，完成模具的一层轮廓后用同样的方法打印第二层轮廓、第三层轮廓等，最后形成完整的模具，如图1所示。

图1 FDM成型原理图

FDM在打印的过程中由于材料需要尽快散热，下一层堆积在上一层才不会塌陷[3]。因此目前市面上常见的FDM都会安装吹风系统，一般为风扇或者电吹风，如图2。但其缺点在于：（1）本体结构大，不利于FDM本身轻巧机械结构的设计；（2）风速不可调整，无论任何结构都使用同样的风量，不利于产品的成型，造成产品的塌陷或者堆积；（3）单面吹风，产品是360°运行的，因此会造成散热不均匀的现象发生进而导致产品单边塌陷单边支撑，影响产品质量。

图2 现有风冷系统结构

2 风冷系统结构设计

针对前面提到的一系列问题，自行设计的风冷系统主要包括以下几大结构：环形风嘴；三角接头；风管；自动风速调节阀。

其中，环形风嘴的直径略大于挤出头直径，固定于挤出头上端，风嘴由铜管弯制而成，在铜管底部间隔3mm左右钻0.5mm～1mm的孔，主要用于压缩空气的圆周扩散；三角接头两端与铜管的两端首尾相接，另外一端直接和风管相接，其作用主要是将压缩空气分流至环形风嘴；风速自动调节阀安装在风管中间部位，和程序相对应，受程序控制，根据产品的需求自动调节风速，进而实现产品打印过程中风速的自动控制[4，5]。设计结构如图3。

图3 FDM风冷结构设计

3 FDM风冷系统工作流程

FDM风冷系统的工作流程如图4所示：零件开始打印，底层时不吹风，保证底层与工作台的粘结性。第二层开始吹风，通过风速调节阀将风速调至打印完成后上层不会塌陷即可。在打印完底层开始铺网格层的时候，风速降低，保证零件不塌陷。到距离顶层1～2层时，调节风速变大，让内部网格线条充分支撑，以便于封顶。打印顶层的前两层的时候，风速与上部网格保持相同，保证支撑完全能够填充整个模型，顶层的后几层则需要吹小风，保证充分的粘接性。所有风速调节都通过风速调节仪完成，风速调节仪与程序绑定，可通过程序判断何时需要吹怎样的风并自动调节，最终实现整体的打印。

4 结语

图4 FDM风冷系统工作流程

目前，此风冷结构已经在我公司实现了规模化的使用，360度吹风设计，仅需要一个风管即可实现，不占用空间，节省成本，能有效保证产品在每个角度都可以得到均匀的风速控制，并根据产品的不同层高进行风速调节，优化产品质量。使得我们的FDM产品向市场化推广奠定了新的基础。