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FDM技术深度探讨（1）—堵头及结构优化
作者：悟颖
在进去正题之前，我要说一下我对3D打印技术的理解和看法的题外话：
关于3D打印的几项技术，和它们的优缺点，做一个简单的论述，FDM是大家最熟识且认知度最高的一种技术，也有很多人对FDM技术排斥甚至不屑，含蓄点说是他们对它太了解，直白的说就是他们根本不懂。
今后这些篇章是基于FDM技术讨论的，3D快速成型技术已经存在很多年这是大家熟知的，比方说FDM就相当于针式打印机，而光固化、激光烧结就相当于现在在的激光打印机，至于喷墨就不多说了。
从二维打印机的发展来看，针式、喷墨、激光打印机等依然是市场的主流，针式打印机是这三类打印机中技术、结构相对最简单的一个,但它依然立于市场不败的地位,事实证明了任何一种技术都有它绝对优势和不可避免的缺点。
针式打印机所胜任的工作是激光、喷墨、热敏打印机等不能及的，比如可以在很恶劣的环境工作，耗材清洁卫生，打印多层可复印纸……而且大家都知道它的精度和速度远不如喷墨和激光打印机，甚至有时噪音令人难以接受。
喷墨打印机速度快精度高，色彩丰富，但是昂贵的耗材和它易损的喷头是它的缺点，激光打印机优势就很多了但它缺点也很多，比如说：一定寿命后它的激光辊会老化，打印会出现条纹和斑驳现象，如果要更换的话，就要花大把的银子了。还有就是热敏打印机，它的打印材质比较特殊，不易保存，精度差，但是体型小，便携度高，成本更低廉，她们各有自己的应用场所，对于总体性能上的提高和追求这是必须的。其他二维打印就不说了。
在现在的办公场所中针式打印机还不能被取缔，所以它得到了很好的发展虽然它有很多的缺点。同样的FDM技术也用自己的优势证明了自己的能力。
FDM耗材便宜，环境要求不是很高，结构简单，门槛较低，越是简单的机械它的寿命，性能反而是最好的。
光固化，激光烧结，LOM它们对环境要求较高，耗材昂贵不说，耗材残余难清理而且对环境污染较高，这就是FDM的市场占有率一直高于其他技术的原因，说到这读者应该明白我为什么把二维打印技术列入说明的原因。
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如果你对FDM还有偏见，我更希望你能读下去。 -------------------------------------------华丽分割线------------------------------
现在我们进入正题，FDM的技术框架，环境，结构，耗材，软硬件，都与精度息息相关。精度的要求是任何打印技术所必须面对和攻克的。想要提高精度，首先我们要理解切片软件，切片软件中他们的路径是完美环境下生成的，而事实上我们在打印过程中，我们的打印情况与切片软件是相反的。
既然如此，我们应该迎合切片软件的完美环境，进行运行。
切片软件不会关心你的结构是否稳定，运行是否流畅，它只会傻瓜式的帮你切出一个完美的模型。剩下的全部交给你的机器完成。
所以机器本身要承受一个很残酷的现实问题，来完成打印工作。稳定的出丝是很关键的，线材在加热中会发生膨胀，在一定环境下,（如图左上）线材在受到膨胀后，它会沿着轴向膨胀，如果你的喉管设计不合理，这必然会导致挤出不流畅，甚至卡丝。在常规设计中热端和冷端的直径是一样的，于是当材料受到膨胀后会沿着线材轴向反向溢出，溢出的材料会在冷端和热段这个过渡区发生凝固（冷却）阻碍理想挤出。很多朋友会误以为这个堵头现象，于是你开始查找各种原因，严格的说这叫堵管。
这是经我个人经验得出的一个喉管形状（如图 ）在这个设计中高温区的直径是大于喉管进丝区的直径，在材料受热膨胀后，由于热端直径大于冷端直径，从而给它一个膨胀的空间。在推送力和膨胀力的综合下，挤出变的更流畅。
当材料顺利的通过喉管和喷头，也许你会发现材料从喷头挤出后，材料并不是一条垂线向下移动，而是偏移或螺旋状移动，这不可怕，可怕的是它粘附在喷头上，形成推挤，在打印中久而久之会滴落在工件上而冷却，会与喷头发生刮蹭，会导致工件偏移，或脱离构建平台，打印失败（我们没有擦嘴功能）。这种情况一般是喷孔与喉管不同心导致的，更多的情况是你买来的喷头设计的并不合理。
图中的实物是国内某品牌的机器，很明显，喷头上粘附了很多的异物。
当材料被挤出喷头后材料会发生一个瞬间膨胀，然后遇冷空气突然收缩的情况，在我们没有恒温条件的时候应该对喷头做一些设计（如下图）材料在挤出喷孔之前需要一段极短的稳丝阶段，随后与冷空气接触。当材料路过图中的锥口时不会因环境的突然变化而发生不理想的变化。从而我们可以基于这点，更好的控制挤出精度，和尺寸精度。这种设计的缺点是，在打印收尾之后会出现一个圆点。而优点更大于了缺点，图中的实物是国外某品牌的机器，我曾在台湾某工厂作业时，参与过这台机器的拆装。这验证了我的理念，它有擦嘴功能，即使不擦嘴也很少粘附异物。
但是我们还有很多路要走。
至于堵头是什么原因造成的，材料的不纯净是一大原因，但是我们在实际打印的时候并没有做测试，很多网友以及我个人打印经验即使使用很有保障的品牌耗材也会出现堵头的现象。最痛心的不是在打印之初，而是在打印之中。我总结众多网友的堵头情况：通常是在各个品牌和类别的材料相互更换后出现的，由于各厂家的材料性能和类别不同，在加热腔内会存有残余，随着温度，时间的推移，它们会累积发生碳化或其它的物理变化结界，最终导致堵头。最常见的是ABS和PLA相互切换，当我们拆开后会可以观察到很多黑色物质。在一些具有研发能力的企业中，他们的喷头加热腔表面镀有其它材料，况且他们有自己订制的材料和专利。
避免这个堵头的方式那就是定义一个喷头的材料限制或者养成一个良好的清理习惯，这是很有必要的。也许你觉得这些是废话，但是我还是希望对一些朋友有帮助。
以上的讨论只是迎合软件完美环境的一个开端。当我们解决了这些问题，下面我们还有很多事情要做。由于时间按有限，今天就说到这。在以后的章节中会陆续和大家讨论，如果大家感兴趣的话会和大家谈谈“送丝机的理想设计和实现。运动机构的合理运行，恒温的必要性，材料打印前测试，软硬件的有机结合……”
欢迎，拍砖，吐槽，高手（前辈)请以斧正。
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