摘要：FDM 技术驱动的3D打印近年来逐步演变为一种主流制造手段。相较于传统加工方式，该技术具备降低复杂结构制造难度、操作简便、材料来源多样以及成本较低等优势。然而，在实际应用中仍存在成形精度不足、打印速度较慢以及新材料开发滞后等问题，亟待深入研究与突破。因此，FDM 3D打印技术在性能优化和推广应用方面仍具有较大的发展空间。为应对当前设备普遍存在的效率低下与成型质量不佳等缺陷，本文从工作原理出发，结合现有结构特点，提出并设计了一款配备三喷嘴系统的3D打印机，并对其机械架构进行了系统性改进。整机结构按功能划分为挤出机构、送丝机构、传动系统、散热组件、伺服控制模块及温度调控系统等部分。针对送丝布局，提出了结合近端与远端送丝的混合方案，依据喷嘴直径差异进行适配，有效减轻了挤出端负载，提升了运动响应速度与打印效率。同时，对环形散热结构进行了优化设计，通过合理配置散热片的数量、长度与高度参数组合，增强整体散热能力，缓解因热量积聚导致的喷嘴堵塞问题。此外，对关键轴承部件进行了强度与刚度分析，验证了机械结构的可行性；并通过流体动力学仿真模拟了喷嘴内部熔融材料的流动状态，确认了三喷嘴挤出结构及其几何设计的合理性。在控制系统方面，重点研究了温控策略，绘制并对比了传统PID控制与模糊PID控制的系统响应曲线，最终选用更优的控制算法以实现更高精度的温度调节。通过对基于 FDM 技术的3D打印机在结构与控制层面的综合优化，有效改善了送丝过程中的堵料、拉丝及驱动力不足等问题，显著提升了打印精度与运行效率。最后，通过多项样件的实际打印测试，验证了所设计设备满足预期性能指标，证明其具备较高的加工精度与稳定性，可为后续同类机型的研发提供有价值的参考依据。

关键词：FDM；3D 打印机；挤出机构

目 录

第1章 绪论　2
1.1 课题研究的背景和意义　2
1.2 3D 打印机的分类与基本原理分析　3
1.2.1 3D 打印机的分类　3
1.2.2 基于 FDM 技术的 3D 打印机的工作原理　7
1.3 基于 FDM 技术的 3D 打印机国内外研究现状　9
1.3.1 国外研究现状　9
1.3.2 国内研究现状　10
1.3.3 存在的问题　12
1.4 本文研究内容　13
第二章 基于FDM技术的3D打印机核心机构及结构设计　14
2.1 引言　14
2.2 基于 FDM 技术的 3D 打印机总体设计　14
2.3 基于 FDM技术的 3D 打印机三喷嘴挤出机构的设计　18
2.3.1 三喷嘴挤出机构的挤出方式选择　18
2.3.2 三喷嘴挤出机构的喷嘴结构设计　19
2.3.3 三喷嘴挤出机构的布局设计　24
2.4 送丝机构的设计　26
2.4.1 影响送丝驱动力的因素　26
2.4.2 送丝机构的设计　28
2.5 散热结构的设计　30
2.5.1 散热结构热分析　30
2.5.2 散热结构模型建立　31
2.5.3 散热结构尺寸参数分析　32
2.6 传动机构设计　36
2.6.1 传动机构运动方式分析　36
2.6.2 传动机构方案设计　37
2.7 机身结构和工作平台设计　39
2.7.1 机身结构设计　39
2.7.2 工作平台设计　40
第三章 结论　41
致 谢　42
参考文献　43

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

随着智能制造与数字化制造的快速发展，增材制造技术——特别是基于熔融沉积成型（FDM）的3D打印技术——已广泛应用于工业设计、医疗康复、教育科研及个性化定制等多个领域。作为一种逐层堆积材料的制造方法，FDM 技术摆脱了传统减材或模压工艺对工具和模具的高度依赖，能够快速将数字模型转化为实体零件，极大缩短产品开发周期。同时，其设备结构相对简单、使用门槛低、耗材种类丰富且价格适中，使其成为目前普及率最高的桌面级3D打印技术之一。

尽管如此，现有的FDM打印机在实际应用中仍暴露出诸多局限性，如单喷头结构限制了多材料或多色打印能力，打印效率偏低，成形精度受机械振动、热变形等因素影响较大。尤其在高精度需求场景下，诸如层间结合不良、表面粗糙、尺寸偏差等问题尤为突出。此外，送丝不畅、喷嘴堵塞、温度波动等也常导致打印失败，影响整体可靠性。

为此，开展对FDM 3D打印机的核心结构与控制系统优化研究，不仅有助于提升设备的综合性能，还能推动其向更高精度、更高速度、更多功能的方向发展。本课题聚焦于解决当前FDM设备在打印效率与成型质量方面的瓶颈问题，提出一种新型三喷嘴结构设计方案，通过对挤出系统、送丝机制、散热布局及温控策略的协同优化，旨在构建一台兼具高效性与稳定性的3D打印装备，为未来多功能一体化打印设备的研发积累理论基础与实践经验。

三维打印技术融合了数字化控制、人工智能以及新材料的应用，是一种先进的制造方式。当前，3D打印技术种类繁多，依据不同的成型机制，主要可分为熔融沉积成型（FDM）、光固化成型（SLA）、三维粉末粘接（3DP）以及选择性激光烧结（SLS）等类型。

在这些技术中，基于FDM原理的3D打印机因其操作简便、运行安全而备受青睐。该类设备在工作过程中不会释放有毒气体或有害化学物质，适合在家庭和办公环境中使用。其所用耗材不仅成本较低，而且利用率高、便于运输与存储。此外，传统加工方法在面对结构复杂的零件时，常因设备能力限制而导致设计与制造精度不足，难以实现理想形状的构建。而FDM 3D打印技术能够有效克服此类问题，显著提升复杂构件的可制造性。

[此处为图片1]

如今，FDM技术已在医疗、国防等多个前沿领域得到广泛应用。中国政府高度重视增材制造的发展，在“十三五”规划中多次强调要推动新型材料制造技术的进步，并明确提出建立完善的增材制造技术创新与研发体系。

然而，目前国内市场上的高端桌面级FDM 3D打印机仍大量依赖进口。由于国外产品技术成熟，其在打印精度和速度方面具备明显优势，但随之而来的是高昂的采购价格和维护成本。因此，推进国产FDM 3D打印设备的研发，不仅有助于降低使用门槛，也对促进我国科技普及和高端制造业发展具有重要意义。

1.2 3D 打印机的分类与基本原理分析

1.2.1 3D 打印机的分类

全球范围内，各类3D打印机正被不断开发和完善。根据其工作原理和机械结构的不同，可以进行多种分类。

（1）按照成形原理划分，常见的3D打印技术包括：选择性激光烧结（SLS）、光固化成形（SLA）、三维粉末粘接（3DP）以及熔融沉积快速原型（FDM），如图1-1、1-2、1-3、1-4所示：

[此处为图片1-1] 图1-1 选择性激光烧结成型机 [此处为图片1-2] 图1-2 光固化成型机 [此处为图片1-3] 图1-3 3DP成型图 [此处为图片1-4] 图1-4 FDM成型图

尽管所有3D打印技术都基于“逐层叠加”的基本理念，但由于所采用的能量源、材料形态及结合方式不同，导致各技术在成形效率、力学性能等方面存在差异。表1-1总结了四种典型3D打印技术的工作原理及其主要成形特性对比。

表1-1 3D打印成型技术对比

（2）从机械结构角度出发，FDM 3D打印机也可进一步分类。常见的机型主要包括Reprap、制造商机器人（MakerBot）和Ultimaker三种类型，分别如图1-5、1-6、1-7所示：

[此处为图片1-5] [此处为图片1-6] [此处为图片1-7]

这三类设备因结构设计不同，在安装调试、操作便捷性以及后期维护方面各有特点，进而影响最终的打印精度与速度表现。表1-2详细列出了这三种典型FDM机型的主要优缺点。

表1-2 三种 FDM 型 3D 打印机机型特点

1.2.2 基于 FDM 技术的 3D 打印机的工作原理

FDM技术的核心在于将热塑性材料加热至熔融状态，通过喷嘴按预定路径逐层挤出并沉积，冷却后固化形成实体结构。整个过程由计算机控制系统精确调控，确保每一层材料准确叠加，从而实现三维物体的构建。

随着技术进步，研究人员致力于优化FDM打印机的机械结构与控制算法，以提升打印精度与速度。本项目即围绕这一目标展开，开发了一套基于FDM技术的三维打印装置，完成了关键部件的结构设计与改进，并对控制系统进行了深入研究，为后续高性能成型设备的研发提供了理论支持和技术参考。

总体而言，研制具备高精度、高速度特性的3D打印机更具实用价值，不仅能推动个性化制造的发展，也为未来智能制造体系的构建奠定基础。在政策支持与科研力量共同推动下，我国基于FDM技术的3D打印产业有望在未来数十年内实现技术突破与规模化应用，进一步增强国家在全球制造业中的竞争力。

采用FDM（熔融沉积成型）技术的3D打印机主要由机械部分与控制部分两大模块构成。仅有机械结构无法独立完成打印任务，必须结合控制系统、配套固件以及切片软件协同工作，才能实现完整的3D打印流程。一个完整的FDM 3D打印系统通常包括工作平台、送丝机构、挤出装置、电源单元、固件程序以及打印控制模块。其基本工作原理如图1-8所示。

其中，工作平台为打印过程提供稳定的基底空间；送丝机构负责将线材输送至挤出端；挤出机构则完成线材的加热与熔融，并通过喷嘴将其挤出；步进电机为各运动轴提供精准动力；而整个打印路径的规划和执行则由控制系统进行调度。FDM技术的核心成形方式是逐层堆积材料。具体过程为：送丝机构将线材送入加热腔，在高温作用下熔化后经喷嘴流出。在外部控制系统的指挥下，喷嘴按照预设的二维路径进行扫描打印。每完成一层，喷嘴或工作台沿Z轴方向移动一个层厚的距离，随后开始下一层的打印，如此循环往复，最终形成完整的三维实体。在整个过程中，每一层材料在热力作用下与前一层粘结，实现整体结构的构建[3]。

该打印流程涉及多个关键技术环节：首先需建立零件的三维数字模型，然后将其转换为STL格式文件，再通过切片软件进行路径规划等后续处理。整体工艺流程如图1-9所示：

[此处为图片1]

[此处为图片2]

FDM 3D打印技术具备多项优势：

1. 运行环境要求低，操作安全，不产生有毒气体，适用于家庭及办公场景；
2. 对打印材料的要求较为宽松，线材供应方便，成本低廉且利用率高；
3. 面对结构复杂的零部件，传统加工方法常受限于设备能力或工艺约束，导致某些几何特征难以实现。而基于FDM技术的打印机能够灵活成型此类复杂结构；
4. 显著缩短制造周期，有效加快产品从设计到实物的转化速度，有利于快速迭代开发。

1.3 基于FDM技术的3D打印机研究现状

1.3.1 国外研究进展

国外在FDM 3D打印技术领域的研究起步较早，经过多年发展，已在打印工艺、机械设计、控制系统优化及新材料应用等方面取得显著成果。

丹麦科技大学的学生贝利尼·安娜针对传统FDM打印机的机械结构进行了改进，增加了一个额外的喷射头，实现了直接打印与同步成型，相比原有系统显著提升了打印效率[4]。印度理工学院研发出一种新型FDM 3D打印机，其喷嘴在原有基础上增加了两个旋转自由度，可分别绕X轴和Y轴转动。这一设计支持多角度打印，减少了薄壁结构和曲面部件打印时的步进误差，同时避免了对支撑结构的需求，从而提高了成品强度与打印成功率[5]。

美国Stratasys公司推出了一款大型FDM打印机，最大成形尺寸可达590毫米 × 500毫米 × 590毫米。该设备首次引入磁悬浮喷头定位系统，能够同时精确控制两个喷嘴的工作，大幅提升了打印速度与精度。此外，朱大平与剑桥大学实验室合作，探索利用FDM相关印刷技术制造半导体元件和薄膜晶体管，共同开发出面向实际生产需求的专用印刷设备与集成系统[6]。

1.3.2 国内研究现状

我国对基于 FDM 技术的3D打印机的研究始于20世纪90年代初，早期主要由中国多所高校的师生开展相关工作。其中，清华大学、西安交通大学以及南京大学在该领域取得了较为突出的成果。随着技术不断进步与市场需求的增长，越来越多的企业投入到FDM成型设备的研发中，推出了一系列功能完善、性能稳定的3D打印设备，能够制造结构相对复杂的产品。经过多年发展，各企业在技术路线和产品特性上逐步形成了各自的竞争优势。

目前，在国内3D打印市场中较为活跃的企业包括：北京银华激光快速成型模具技术有限公司、上海达诺实业有限公司、北京尚拓科技有限公司、北京方明达科技有限公司以及南京紫金立德电子有限公司等。这些企业联合高校科研人员及专家学者，在提升FDM 3D打印机的精度、运行速度以及材料开发方面做出了重要贡献。

清华大学在基于FDM技术的三维打印机机械结构设计方面进行了开创性研究，率先研制出多功能快速成型系统MRPMS，并推出了MEM-200和Men-250型3D打印设备。金一凡、张冰等人将半导体制冷技术引入到3D打印温度控制中，构建了一套功率可调的半导体制冷系统，有效缓解了因局部散热不良导致的层间错位问题[16]。

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孙思斌（sisiuobin）与王春霞针对送料系统的稳定性进行了优化，采用新型电源管、加热元件结合PWM控制方式，构建了新型加热系统，显著提升了打印精度与成品质感[17]。沈炳霞与关玉鹏则对平行臂式单色3D打印机的喷头机构进行改进，将原有的单进料挤出结构升级为双进料混合挤出机制，并在混合室内实现材料的充分熔融与均匀混合，成功实现了梯度功能材料的一体化成型[18]。

高燕芳等人通过对现有3D打印机的挤出机构、送丝装置及喷嘴结构进行深入分析，自主研制出一种新型3D打印样机，进一步推动了核心部件的技术革新。燕山大学的李江斌重点研究了并联机构的自由度特性及其运动学行为，为后续三维打印机的机构误差建模提供了理论支持。梁松松设计了一款基于FDM技术的并行结构3D打印机，从机械系统、硬件控制系统到软件系统进行全面规划，并对其机械构型及工艺参数引起的打印误差进行了系统分析，明确了主要误差来源[21]。

1.3.1 国外研究进展

国际上，基于FDM技术的3D打印材料研究已取得多项突破。麻省理工学院的乔达诺 R.A. 对PLLA材料进行了研究，实验表明，通过冷轧处理可显著增强由该材料制成零件的力学性能，尤其在抗拉强度方面表现明显[7]。

马来西亚理工大学的李博士选用ABS线材作为打印原料，运用田口方法优化FDM 3D打印机的工艺参数。经过大量实验，建立了打印件弹性性能与单层厚度、光栅线间距及填充间隙之间的关系模型。

意大利博洛尼亚大学的Croccolo D. 采用实验手段研究了样条轮廓的成形方向与层数对力学性能的影响，并据此建立了一个可用于预测工件机械性能的理论模型。研究选用了ABS-M30材料，依据模型指导打印样条并测试其性能，最终得出结论：极限强度与杨氏模量是决定材料力学表现的关键因素。

G. Pawan Kumar 与 Srivasa Prakash Regalla 探讨了支撑结构类型与打印材料选择对打印时长的影响，分析二者间的交互作用，并提出了缩短打印时间、优化支撑结构的设计方案[10]。梅西提出了一种结合传统模具与FDM打印技术的叠加成形方法，拓展了快速成型在模具制造中的应用路径[11]。

新加坡国立大学的Dietmar W. 等人成功研发出一种新型PLC材料，适用于组织工程领域的生物打印需求。澳大利亚某高校开发出一种复合线材，通过在基础材料中添加10%的ABS成分，制得以ABS为主的新型耗材，其综合性能得到显著提升[12]。此外，通过对ABS材料进行改性处理，提高了其水溶性与生物相容性，使其更适用于FDM技术在生物医学领域的应用[13]。

Kim Ho-chan 与 Jorge Mireles 使用一种具有低熔点特性的新型金属材料作为打印耗材，基于这一物理特性，系统阐述了在打印过程中工艺参数的选取原则[14]。Olaf Diegel 与 Sarat Singamneni 成功将FDM快速成型技术应用于电路板制造领域，采用弯道熔融沉积法，实现了导电聚合物的精确打印[15]。

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针对基于 FDM（熔融沉积成型）技术的三维打印机，当前在机械结构、控制算法及切片处理等方面已开展了大量研究。国内外学者在系统仿真、故障监测、切片优化以及打印精度提升方面取得了一定成果。

宋平联与姜素华以3D系统公司生产的FDM型3D打印机为原型，利用开放GL开发了三维打印机仿真软件系统，成功模拟并演示了3D打印机的实际工作流程[22]。毛磊和郭晓金则在Linux平台上实现了FDM型3D打印机的控制系统，提升了系统的开放性与稳定性[23]。吴海喜、于中华等人结合声发射传感器构建了故障监测系统，并通过实验获取有效数据，实现了对FDM 3D打印机典型故障的识别，识别准确率达到94.62%[24]。华中科技大学的李忠峰与王从军采用OpenGL的特征处理机制，结合MFC的文档/视图架构，开展了纠错算法的应用研究，进一步提高了控制系统的可靠性。

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在切片算法方面，李占利与丁玉成通过多次实验分析影响打印效率的关键因素，在传统三角网格切割算法基础上，提出了快速排序与快速分层两种新算法，并开发出相应的分层软件[26]。刘光福与李爱平研究了分层软件的整体架构及其功能模块，提出了一种计算机坐标系与三维实体零件坐标系之间的高效转换方案，用于改进原型设备工具软件[27]。

西安工程大学的张建平与徐光申提出一种基于Solidworks三维软件的CAD模型直接切片方法，简化了数据转换流程，提高了处理效率[28]。李永清等研究人员针对FDM成型机的精密控制问题，建立了送丝速度与喷头移动速度之间的数学模型，为实现动态匹配提供了理论依据[29]。西北理工大学的郭磊与陆昌德聚焦于提高FDM工艺中模型表面质量，改进了CAD预处理策略，显著提升了打印成品的外观表现[30]。

上海交通大学王天明团队致力于解决FDM成形过程中常见的翘曲变形问题，提出有效的工艺补偿方法[31]。李震、姜本奇与王建斌等人则针对STL文件局部精度不足的问题进行补偿处理，生成的新STL文件不仅保证了各部分几何精度，还有效减小了文件体积，降低了后续计算过程中的数据负载，从而提升了整体建模与处理的准确性[32]。

[此处为图片2]

尽管已有诸多进展，但目前基于FDM技术的3D打印仍面临较多挑战。据统计，在FDM打印机所生产的产品中，高达80%仍属于半成品，需经过后期处理才能使用，仅有约20%可直接作为最终产品。这一数据反映出该技术在成熟度和自动化程度上仍有较大提升空间。

当前FDM技术存在的主要问题包括：

1. 打印悬空结构时必须额外添加支撑机构。由于材料受重力影响，无法独立成型悬挂部分，因此需预先打印支撑结构，这不仅增加材料消耗，也加大了后处理难度；
2. 多数设备采用单喷嘴设计，需同时完成模型主体、内部填充及支撑结构的打印，导致打印速度慢、精度受限；
3. 散热系统效率不足，打印过程中热量积聚易造成熔丝回流或喷嘴堵塞，影响连续作业能力；
4. 送丝机构的动力输出难以兼顾高速与高精度需求，当达到一定精度要求时，送丝速度受限，反之亦然，且存在驱动力不足的问题，进而影响打印质量；
5. 适用材料局限于塑料类，制件硬度和力学性能有限，限制了其在工业领域的广泛应用；
6. 层厚越小，所需层数越多，打印时间显著延长，唯有通过多喷嘴并行打印才可能有效提升整体速度。

此外，国内FDM型3D打印机在关键技术参数上与国外先进水平仍存在一定差距。如表1-3所示，国外设备的最小打印层厚可达0.05mm，而国内普遍为0.1mm起步；在打印速度方面，国外范围为10–100mm/s，国内则集中在30–80mm/s之间[34]。尤其在打印精度、运行稳定性与最大打印速度的协调性方面，国产设备尚有改进余地。

总体来看，我国在FDM 3D打印技术的机械结构设计、控制系统集成及工艺优化等方面仍处于追赶阶段。高温环境下易出现边缘翘曲、材料溢出等问题，导致打印效果不稳定。未来需在多轴联动、智能温控、复合材料适配及自主切片软件等方面持续突破，缩小与发达国家的技术差距。

[此处为图片3]

近年来，采用FDM（熔融沉积成型）技术的3D打印机逐步发展为一种具有广泛应用前景的先进制造手段。相较于传统加工方式，该技术在制造复杂结构零件时展现出显著优势，如工艺简化、操作便捷、材料获取容易以及成本较低等。尽管如此，FDM 3D打印仍面临诸多技术瓶颈与挑战，其在精度、效率和稳定性方面仍有较大的提升空间。因此，对机械构型与控制系统的优化研究显得尤为重要。

本文围绕基于FDM技术的3D打印机展开系统性设计与分析，重点涵盖以下几个方面：首先介绍该类设备的分类方式、基本工作原理及其研究价值，并综述国内外相关领域的研究进展；其次探讨其主要优势及当前存在的关键问题；随后针对核心机械部件进行结构设计与改进，提出一种新型三喷嘴挤出装置，并完成其布局与结构规划；同时对送丝机构的构造与布置进行详细设计；进一步分析影响散热性能的关键因素，并对散热器的数量与尺寸参数进行优化配置；此外，还研究了常见传动机构的运动模式，提出更高效的运动设计方案；最后完成整机框架与工作平台的结构设计及零部件选型。

第二章 基于FDM技术的3D打印机核心机构及结构设计

2.1 引言

3D打印机的机械架构直接影响最终成品的打印精度与运行速度。本文在综合分析现有市售机型机械结构的基础上，对FDM型3D打印机的核心组件进行了深入的设计与研究，旨在提升设备的整体打印效率与成形精度。本章节共划分为八个部分，分别从挤出机构、送丝机构、传动系统、喷嘴结构、机身构造、散热模块等方面展开具体阐述与优化设计。

2.2 基于FDM技术的3D打印机总体结构设计

FDM 3D打印机主要由三大系统构成：机械系统、控制系统和软件系统 [35]。这三者协同工作，实现从三维模型到实体零件的转化过程。其中，主机计算机通过处理STL格式的三维数字模型，利用切片软件生成G代码指令，再经串行通信接口将指令传输至控制系统，进而驱动机械系统执行精确的打印路径控制。图2-1展示了这三个系统之间的交互关系：

[此处为图片1]

控制系统包含外部电路单元、温度调控模块、电源管理模块以及工作流程控制单元等部分，承担着整体设备的监控与协调功能，确保机械系统与软件系统高效联动以完成打印任务 [36]。控制器负责对接收的G代码进行解析，并依据其中的指令信息控制步进电机运转、挤出机构动作以及散热装置启停。与此同时，步进电机的位置状态和各部位温度数据会实时反馈至主机端，形成闭环控制机制。

软件系统则主要完成三维模型的分层切片处理，并根据用户设定的工艺参数（如层厚、填充密度、打印速度等）自动生成适配的G代码文件。整个控制系统的内部结构如图2-2所示：

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