DIGITAL PRINTING Tol.208 No.5 2020.10数字印刷 2020年第5期（总第208期）
ADDITIVE MANUFACTURING RESEARCH SPECIAL
增材制造研究专题
冯 韬，陈继飞，王 超，刘 斌，陈文刚（西南林业大学 机械与交通学院，昆明 650224）
摘要 为解决现有FDM 型3D 打印机不能同时打印多种材料、多种颜的问题，本研究在现有3D 打印机结构基础上，改进设计了一种多喷头3D 打印机。基于UG 以及COMSOL 软件建立其三维模型并对其进行结构仿真分析、打印运动分析以及控制结构设计分析研究。结果表明，该FDM 型多喷头3D 打印机具有高效率、低成本、可同时进行多材料和多颜打印的优点，为今后多喷头3D 打印机研究提供一定思路。关键词 FDM ；多喷头3D 打印机；结构设计；运动分析 中图分类号 TH122 文献标识码 A 文章编号 2905-9540(2020)05-53-09DOI 10.19370/jki10-1304/ts.2020.05.007
Design and Analysis of FDM Multi-nozzle 3D Printer
FENG Tao, CHEN Ji-fei, WANG Chao, LIU Bin, CHEN Wen-gang
(College of Machinery and Transportation , Southwest Forestry University , Kunming 650224, China )
Abstract To solve the problem that the existing FDM 3D printer cannot print multiple materials and multiple colors at the same time, based on the existing 3D printer structure, a FDM multi-nozzle 3D printer was designed. A 3D model was built by the software UG and COMSOL, and analyses of structural strength, movement mode and control mode were completed. The results showed that the designed FDM multi-nozzle 3D printer has the advantages of high efficiency, low cost and can print multiple materials and multiple colors at the same time. This research provides some ideas for the future research of 3D printer with multi-head.
Key words FDM; Multi-nozzle 3D printer; Structure design; Motion analysis
0 引言
在日益全球化的今天，制造业正向数字化和智能化方向飞速发展，3D 打印技术作为数字化精确控制下的快速成型制造方式，引领着智能制造技术发展的浪潮[1-2]。3D 打印技术是集数字化控制、
钛阳极氧化新型材料以及计算机辅助设计等多技术于一体的新
兴先进制造技术[3-5]，根据打印材料以及材料成型机理可分为：熔融沉积成型技术（Fused Deposition Modeling ，FDM ）、选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering ，SLS ）、光固化成型技术（Stereo Lithography Apparatus ，SLA ）以及叠层制造技术（Laminated Object Manufacturing ，LOM ）等[6-8]。
收稿日期：2020-09-02 修回日期：2020-09-23
项目来源：国家自然科学基金项目（No.51865053）；云南省教育厅科学研究基金项目（No.2020Y0381）；西南林业大学
“新境杯”科研基金项目（No.201928）
54数字印刷2020年第5期（总第208期）
FDM技术是操作最为简单且发展最为成熟的一种3D打印技术，各种类型的FDM型打印机早已出现在日常生活中，但多为单喷头打印机，打印颜单一且打印效率低下，不能满足多种材料以及多种颜同时快速成型打印需求[9-10]。本研究通过对市面上多喷头3D打印机进行分析，利用UG以及COMSOL 软件在现有3D打印机结构基础上设计多喷头3D打印机，建立其三维模型并进行结构仿真分
析、打印运动分析以及控制结构设计分析研究。
1打印机结构设计
目前FDM型3D打印机主要是单喷头结构，只能进行单一材料以及单一颜的打印，要想实现多种材料、多种颜的3D打印需要往复更换耗材材料以达到目的。为此在现有打印机基础上改进设计FDM 型多喷头3D打印机，将多个局部坐标系（Local Coordinate System，LCS）喷头整合于一体，构建整体世界坐标系（World Coordinate System，WCS）下的多喷头3D打印机。在打印工作过程中，对于简便单一的打印任务可以仅使用一个打印喷头完成打印任务；当打印工件要求多种材料或多种颜时，可以由多个喷头协同合作，完成打印任务。
设计多喷头3D打印机，首先需要保证其在打印工作中多个喷头相互运动，且不存在相互干涉问题，因此在设计前要计算并限制其喷头的自由度个数，避免出现因喷头自由度个数过多而导致喷头间相互干涉。
3D打印机结构主要由主体框架机构、传动机构和执行机构3部分组成，分别负责对打印机整体进行支撑和零件安装、控制打印喷头和实验平台的运动，以及以打印喷头为主的工件打印。
1.1 主体框架机构设计
FDM型3D打印机的主体框架结构主要有矩盒式结构、三角形框架结构、三角洲结构和十字轴结构等[11-14]。其中矩盒式框架结构因其结构简单、具有较高的装配精度和机身稳定性等优点，成为当前商业3D打印机最常用的框架结构。本研究选用矩盒式框架结构为多喷头3D打印机主体框架结构，采用欧标2020V槽铝型材搭建，可起到主体框架支撑作用及导轨作用，配合滑轮导轨驱动装置完成打印喷头的轴向运动。
1.2 传动机构设计
根据市场调研发现，FDM型单喷头3D打印机虽然产品造型、控制系统、传动设计等各不相同，但其打印喷头与工作台均结合在同一个坐标系内，即通过对喷头和工作台的控制，完成工件每一层的轮廓扫描与打印，将材料层层堆积，最终实现工件的3D打印。现有单喷头3D打印机的喷头与工作台运动方式主要分为以下几种类型[15]。
1）打印机喷头作X轴方向以及Y轴方向的运动，工作平台仅作Z轴方向的单轴辅助运动，如图1a所示。打印喷头较工作台而言具有质量小、体积小等特点，故将其设置X、Y平面运动具有较小的惯性力，满足提高打印速度和打印精度的要求。且喷头在平面移动时所需运动空间小，空间利用率较高，适合高精度紧凑型3D打印机。但打印机喷头在X、Y平面移动会使丝料发生扭曲、弯折，甚至影响丝料的送料和挤出。
2）打印机喷头仅作X轴方向（或Y轴方向）以及Z轴方向运动，工作平台仅做Y轴方向（或X轴方向）单轴的运动，如图1b所示。或者打印机喷头仅做X轴方向（或Y轴方向）单轴往复运动，由工作台完成Y轴方向（或X轴方向）以及Z轴方向的运动，如图1c所示。这两种方式将Z轴与X轴（或Y轴）结合进行复合运动，具有较小的运动惯量，且打印喷头和工作平台所需的运动空间较小，整体结构较为简单，广泛应用于小型家用3D打印机结构设计。
3）打印机喷头仅作Z轴方向的单轴运动，工作平台作X轴方向以及Y轴方向的运动，如图1d所示。
图1 FDM型3D打印机常见运动方式
Fig.1 Common movement mode of FDM 3D printer
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增材制造研究专题
冯 韬等：FDM型多喷头3D打印机设计与分析工作台进行X 、Y 平面的移动有效提高了工作台结构的强度和刚度，但打印相同大小的工件，由工作台完成X 、Y 平面的移动势必需要较大的运动空间，且工作台质量较大，不利于打印速度 的提高。
设计多喷头FDM 型3D 打印机的传动机构，其主要内容是将X 、Y 、Z 方向的运动以合适的传动方式分配到打印机喷头和工作台上。由于多喷头3D 打印机喷头数量较多且需保证打印机体积不宜过大，在打印过程中相互配合运动需保证其打印精度，为此选用打印喷头做X 、Y 轴的复合运动以及做Z 轴辅助升降运动，工作台做Z 轴方向直线运动以及Z 轴辅助旋转运动，保证4个圆柱坐标系与直角坐标系之间角度对应，从而使打印机结构紧凑，提高机器内部空间利用率，并且提高打印效率。
打印机传动装置主要由步进电机驱动，其传递方式有带传送、曲柄滑块驱动以及丝杠传动等多种方式。综合考虑3D 打印机的工作需求以及材料性能等多种因素，单一喷头在打印过程中，因传动装置运动会产生振动变形、精度不足等问题，传动机构选择具备较强承载能力、高稳定性的滑轮导轨和丝杠导轨。打印机整体结构示意图如图2所示，4个打印喷头分别由4组滑轮导轨传动装置驱动，实现在X 、Y 二维平面上的打印运动。为了保证多喷头协同完成打印工作且避免出现干涉，需要控制喷头的自由度，因此打印喷头在Z 轴上辅助直线运动。而工作台质量较大且需要完成沿着Z 轴的上下运动，其移动一次的高度即是打印一层的厚度，故其精度要求较高且承载能力要大，因此选用丝杠导轨传动。
图2 多喷头3D 打印机整体结构
Fig.2 Structure of FDM multi-nozzle 3D Printer
汉尼拔前传1.3 执行机构设计
利用三角形全等测距离
多喷头3D 打印机执行机构由打印喷头和工作台两部分构成，其中打印喷头具备加热、送丝、挤出、打印等功能，安装在由滑轮导轨和同步带驱动的平台上，其示意图如图3所示。工作台由丝杠导轨完成传动，具有工件支撑等作用。打印喷头和工作台均采用步进电机作为动力源。
图3 打印喷头结构示意图
Fig.3 Schematic diagram of a print head
2 框架受力分析
将打印喷头支撑架简化为悬臂梁模型进行受力分析，其简化模型如图4所示。其中将打印喷头简化为质量为m a 的质量块，沿着悬臂梁支撑架导轨移动，悬臂梁支撑架导轨与垂直支撑架导轨接触部位为原点O ，以悬臂梁支撑架导轨方向为X 轴，垂直支撑架导轨为Y 轴，建立XOY 直角坐标系。其中质量为m a 的喷头以速度v 在长度为L 的悬臂梁支撑架导轨
图4 打印喷头支撑架-悬臂梁支撑架导轨示意图Fig.4 Schematic diagram of print head support frame-cantilever support frame guide rail
丝状打印耗材
挤压进料装置
安装支架
二外法语加热熔融装置
打印喷嘴
工作台
工作台
底座
立柱Y
X
v
O
大丰市实验小学E,I h ,m
m a
x a
L
打印喷头
滑轮导轨驱动装置丝杠导轨驱动装置
保温隔热材料
喷头运动分析
营销市场
打印机喷头与工作台的相互联动是3D 打印机精确打印成型的核心所在，喷头与工作台配合联动，0.03
400400400
200
200
0(mm)
(m m )
(mm)max: 0.0265449
0.02
0.01
50距离（mm ）
变形量（m m ）
100150
200250
图5 多喷头3D 打印机变形量最大位置处受力分析示意图
Fig.5 Schematic diagram of force analysis at the position of maximum deformation of multi-nozzle 3D printer
图6 多喷头3D 打印机工作过程中框架
最大变形量变化曲线
Fig.6 Maximum deformation curve of the frame during the working process of the multi-nozzle 3D printer
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