FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統的設計研究

王萬君

摘要：FDM 3D打印機是目前在多個領域中廣泛應用的一種打印技術，其借助熔融沉積成型工藝實現了低成本、無污染、高效率、操作便捷的3D打印。從該技術原理角度出發(fā)，成型空間加熱保溫系統是最為關鍵的因素，只有保證這一系統的穩(wěn)定工作，才能夠確保打印質量和打印效果?；诖?，本文從成型空間加熱保溫系統的運作方案出發(fā)，分析具體的裝置、參數，并且結合實際案例，分析具體的應用效果，以期讓FDM 3D打印機整體性能得到提高，強化打印精度和工作穩(wěn)定性。

關鍵詞：FDM 3D打印機;成型空間;加熱保溫系統;系統設計

引言：

FDM 3D打印機在航空、醫(yī)療、制造、設計等領域中得到了廣泛應用，其最大的優(yōu)勢在于可以滿足復雜多樣、個性靈活的產品需求，而且打印出的零部件可以直接應用在實際生產。一般情況下，FDM 3D打印機以聚合物為基本成型材料，但這些材料對打印過程中的溫度有著較高的要求，尤其是一些高性能復合材料，必須要為其創(chuàng)造出一個較高的空間溫度，才能夠確保打印質量，以此盡可能的減少溫度對最終成型的影響，確保打印出來的工件質量。

一、成型空間加熱保溫系統的發(fā)展現狀

近幾年來，FDM 3D打印機生產工藝技術水平不斷提高，相應的裝備也隨之增加，從側面助推航天、醫(yī)療、制造等多個行業(yè)得到了長足發(fā)展，實現了大量的綜合化、機械化、自動化程度較高的生產線，尤其是智能型制造生產方面，雖然和國外的FDM 3D打印機相比還存在一定差距，但具備了多種不同的技術功能。FDM 3D打印機作為零部件生產制作中的關鍵技術工藝之一，在實際制作過程中過程中通過總終端系統進行控制，具備雙向信息通訊能力，可以實現遠程控制，工作效率和穩(wěn)定性都可以保證。FDM 3D打印機可以按照自我記憶進行行走，從目前來看，FDM 3D打印機在自動化控制下，不僅可以根據生產制作零件作出相應的調整，還能夠實現高效運轉，但還需要對FDM 3D打印機的成型空間加熱保溫系統進行進一步優(yōu)化，從而實現零部件的高效生產，讓FDM 3D打印機運行機械化水平得到進一步提高。從過往實際應用情況來看，成型空間加熱保溫系統直接關系到最終的打印結果，打印出來的工件力學性能、細節(jié)精度都受到溫度的控制。如果溫度出現問題，那么打印出來的工件表面可能會出現起皺等現象，如果工件本身較小，還會出現坍塌、拉絲等問題。又或者，工件可能會出現翹曲變形、開裂等問題，只有根據實際的打印材料科學調節(jié)溫度，才能夠保證最終的工件質量。

二、成型空間加熱保溫系統的設計方案

在展開具體的設計前，需要對設計方案、設計原理展開分析。一般情況下，FDM 3D打印機有三種不同的加熱保溫方案，分別為：打印平臺加熱，成型空間沒有加熱、成型空間內部設置熱風成型空間加熱保溫系統以及成型空間外部設計熱風成型空間加熱保溫系統。這三種加熱保溫方案雖然能夠達到加熱保溫的作用，但都存在不同程度的問題，打印工件的翹邊、開裂問題沒有從根本上得到解決，而且結構復雜、工作效率較低，反而促使FDM 3D打印機壽命降低，故障率提高?；诖?，在設計FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統的過程中，需要確保成型空間內部熱度均勻，并且實現熱度靈活調整，強化保溫功能。根據上述條件，最終借助紅外燈、燈罩、支架、風扇、變壓器等裝飾實現了雙循環(huán)加熱恒溫成型空間，不僅解決了FDM 3D打印機的問題，還延長了FDM 3D打印機的使用壽命，同時不需要在成型空間內部設計道電器元件、運動結構。最為關鍵的是，在這一設計中，采用了雙套加熱保溫系統，確保實際工作效果。

三、成型空間加熱保溫系統的裝置設計

在確定FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統的工作原理后，針對這一系統所需裝置進行分析，確保系統的工作效果。從成型空間加熱保溫系統的應用需求角度來看，主要作用是要保證溫度在打印過程中的穩(wěn)定性，盡可能減少溫度在打印過程中的變動，實現保溫處理。因此，風扇在這個系統中發(fā)揮著至關重要的作用，風扇布置在紅外燈周圍，實現通風降溫，風扇固定在安裝座上，電吹風面朝噴頭，安裝座與支架、噴頭和風扇相連，可沿X軸運動，跟隨X軸沿Y軸運動。圖2為FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統，圖3為紅外環(huán)形燈的示意圖。

上述設計模式非常適合FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統，不僅制作簡單，也能產生良好的保溫隔熱效果，同時也不需要額外增加骨架。這其中燈罩可以采用六邊形可伸縮的結構，實現壓縮和拉伸，確保FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統工作效果，而且能夠創(chuàng)造出空氣隔熱層。

四、成型空間加熱保溫系統的參數設計

FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統對參數有著較高的要求，需要站開具體的計算，在這個過程中需要運用到如下公式：Q總=Q散+Q加、Q散=ηn×Sn×△T、Q加=c×G×△T。這其中Q總、Q散、Q加分別代表FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統所需總熱量、成型空間室體散熱量、成型空間空氣加熱量。而ηn、Sn分別代表第n種材料保溫層散熱系數、第n種材料保溫層面積之和（n=1，2，3…），△T為最高溫度與室溫之差;c和G則為空氣比熱、成型空間內空氣重量。進而就可以求出FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統加熱器單位時間內使成型空間升溫至最高溫度需產生熱量，QPTC=Q總×κ×γ，κ和γ分別為其它損耗系數、熱量余數。由上可知，在FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統采用了兩套規(guī)格型號的相同保溫裝置，因此，選擇0.5kW的變壓器，確保功能實現。

五、成型空間加熱保溫系統的自動設計

在FDM 3D打印機投入使用的過程中，會面臨一些較為復雜的零部件，確保零部件成型的關鍵就是參數，配合參數以及制作材料決定FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統溫度上的控制。因此在上述系統的基礎上，借助Solid Works二次開發(fā)的基礎上，設計開發(fā)了在FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統的參數化自動控制系統，在該系統的輔助下，使用FDM 3D打印機時，只需把關于功率和電熱元件的一些關鍵參數輸入到對應的界面中，程序后臺運行，自動輸出計算結果。在零件自動生成模塊中，將關鍵參數輸入對話框中，調用Solid Works API接口，自動鏈接Solid Works軟件，實現模型構建，讓FDM 3D打印機穩(wěn)定運作。

六、成型空間加熱保溫系統的實際測試

FDM 3D打印機常用于復雜形狀、結構的零部件制作中，隨著國內3D打印技術的不斷成熟發(fā)展，技術中的問題也逐漸凸顯出來，為了讓FDM 3D打印機在各個領域中得到深層次應用，還要進一步強化FDM 3D打印機的實際應用性能，通過上文對成型空間加熱保溫系統的研究設計，可以讓FDM 3D打印機朝著高品質、高效率、低成本的方向轉變。開發(fā)一臺具有成型空間加熱保溫系統的FDM 3D打印機可以讓零部件生產工作得到更進一步發(fā)展，強化國家相關產業(yè)的質量和國際競爭力。FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統測試是系統質量的保障，對系統規(guī)格、設計、編碼等方面都要進行詳細的測試，從而保證系統質量、規(guī)格等符合用戶的實際需求，開發(fā)出高質量、高性能的FDM 3D打印機產品。不僅如此，FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統測試也是系統成功的保障，在實際開發(fā)過程中，需要面對漫長的過程中，會產生一些不必要的錯誤，如果不能夠及時的排除錯誤，那么質量也會無法保證，因此測試的任務就要及時的發(fā)現系統中存在的問題，并且規(guī)避錯誤。

在FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統中加熱和保溫是最為關鍵的兩個環(huán)節(jié)，從FDM 3D打印機的實際應用需求來看，必須要在設計制作的過程中保證溫度的穩(wěn)定性，以此避免出現翹邊、開裂等問題，借助循環(huán)理念，打造出一個動態(tài)化的FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統。FDM 3D打印機必須要在一定溫度下進行，因此成型空間加熱保溫系統是必備裝置，從上述設計過程中不難看出，設計過程較為復雜，涉及到大量公式計算。為了進一步提高FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統的工作效率，設計出了一套循環(huán)加熱保溫系統，借助變壓器實現動態(tài)運作，同時配合計算機技術，實現了參數化設計，可以更好的調節(jié)溫度，完成FDM 3D打印機的制作過程。從實際應用情況來看，FDM 3D打印機的精度明顯提高，一些對溫度要求較高的打印材料在實際應用過程中也能夠保證打印質量。由此可以看出成型空間加熱保溫系統應用后，FDM 3D打印機的兼容性得到了極大的提高。圖4和圖5分別為FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統的升溫曲線、保溫曲線。從圖片中的信息來看，成型空間加熱保溫系統能夠滿足FDM 3D打印機運轉需求，空間溫度基本均勻，保溫效果良好。從實際打印出來的成品來看，零部件表面光滑，裝配效果良好，運行效率較高，開機預熱時間明顯縮短。尤其是在自動設計中，借助系統實現了溫度的合理控制，人機界面良好，實現了成型空間加熱保溫系統設計的規(guī)范化、自動化和參數化。該系統具有計算功能（功率計算和電熱元件計算），零件自動生成功能和自動生成工程圖功能。

在DM 3D打印機成型空間加熱保溫系統可以讓FDM 3D打印機每個環(huán)節(jié)之間的協作性得到提高，更加順暢、快速的進行運作，尤其是在互聯網技術飛速發(fā)展的過程中，成型空間加熱保溫系統是FDM 3D打印機管理的標準配置，但實際上很多FDM 3D打印機在保溫加熱控制上還存在諸多問題，導致FDM 3D打印機整體運行效率較慢，運營成本較高。而對于FDM 3D打印機而言，一個完善、合理的成型空間加熱保溫系統，可以為FDM 3D打印機創(chuàng)造出更大的利潤空間、降低成本，同時也為FDM 3D打印機的智能化建設發(fā)展開創(chuàng)了全新的局面。

總結：

綜上所述，FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統優(yōu)化設計的重要性不言而喻，直接關系到最終的打印成果。本文設計出的FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統有效解決了傳統FDM 3D打印機在實際生產在制作中面臨的困境，實現了雙循環(huán)加熱保溫，最大程度保證了制作精度和制作效果。而從實際應用情況來看，該FDM 3D打印機成型空間加熱保溫系統切實可行，能夠根據實際情況進行有效調整，為FDM 3D打印機工藝發(fā)展以及相關行業(yè)進步奠定了良好的基礎。

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