2024年5月24日发(作者：朋紫雪)
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2020年第5期（总第208期）
增材制造研究专题
DIGITAL PRINTING Tol.208 No.5 2020.10
ADDITIVE MANUFACTURING RESEARCH SPECIAL
FDM型多喷头3D打印机设计与分析
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、多种颜色的问题，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色打印的优点，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)05-53-09
DOI
10.19370/10-1304/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
新型材料以及计算机辅助设计等多技术于一体的新
0
引言
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
在日益全球化的今天，制造业正向数字化和
Modeling，FDM）、选择性激光烧结技术（Selective
智能化方向飞速发展，3D打印技术作为数字化精
Laser Sintering，SLS）、光固化成型技术（Stereo
确控制下的快速成型制造方式，引领着智能制造
Lithography Apparatus，SLA）以及叠层制造技术
技术发展的浪潮
[1-2]
。3D打印技术是集数字化控制、（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
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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，打印颜色单
一且打印效率低下，不能满足多种材料以及多种颜
色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色的打印，要想实现多种
材料、多种颜色的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色时，
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
2020年第5期（总第208期）
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
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。
打印喷头
滑轮导轨
驱动装置
丝杠导轨
驱动装置
立柱
工作台
底座
图2 多喷头3D打印机整体结构
Fig.2 Structure of FDM multi-nozzle 3D Printer
增材制造研究专题
55
1.3 执行机构设计
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。
丝状打印耗材
安装支架
挤压进料装置
保温隔热材料
加热熔融装置
打印喷嘴
工作台
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
v
m
a
E,I
h
,m
O
x
X
a
L
Y
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
56
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上运动，
E
为悬臂梁支撑架导轨的弹性模量，
I
h
为悬
臂梁支撑架导轨截面的等效惯性矩，
m
为悬臂梁支
撑架导轨的自身质量，则在
t
时刻悬臂梁支撑架导轨
上
x
处的挠度为
y(x,t)
[16-17]
。
将模型简化后依据Euler-Beroulli梁理论
[18]
，
忽略悬臂梁支撑架导轨的横向剪切变形以及阻尼
对其振动的影响，考虑到在打印喷头沿着悬臂梁
支撑架导轨运动的同时，打印喷头也随着悬臂梁
支撑架导轨上下振动，同时考虑到打印喷头质量
的惯性力，则打印喷头在运动过程中对悬臂梁支
撑架导轨的作用力方程
[19]
如式(1)所示。在力
F(x,t)
的
作用下，悬臂梁支撑架导轨振动的微分方程如
式(2)所示。
F（x
,
t
)
=
[
m
a
(
g−y
(
x
,
t
)
]
δ
(
x−x
a
)
（1）
F
(
x
,
t
)
∂
4
y
(
x
,
t
)
∂
2
=
EI
y
h
(
x
,
t
)
∂
x
4
+
m
∂
t
2
（2）
其中：
(x,t)
为打印喷头在
x
处的沿着
Y
方向上的
振动加速度，即
y(x,t)
对时间
t
求偏导数得到的函数，
g
为重力加速度，
δ
为Dirac函数。根据式(1)和式(2)
再次变换求导可以求得打印喷头在悬臂梁支撑架导
轨
x
处的
Y
方向上的振动速度如式(3)所示，振动加速
度如式(4)所示，延伸求出打印喷头在悬臂梁支撑架
导轨上运动，悬臂梁支撑架导轨的振动变形函数。
=
（
y
x
,
t
)
∂
y
(
x
,
t
∂
x
)
x
+
∂
y
(
x
,
t
)
∂
t
（3）
（
yx
,
t
)
=
∂
y
(
x
,
t
)
∂
x
x
+
∂
2
y
(
x
,
t
)
∂
t
2
+
∂
2
y
(
x
,
t
)
∂
x
2
x
2
+2
∂
2
y
(
∂
x
x
,
t
)
∂
t
x
（4）
依据悬臂梁结构分析原理，将设计的多喷头3D
打印机框架进行模型简化，然后对其进行网格划
分，根据各个零部件的实际重量转化为施加在简化
模型上的力，基于COMSOL软件的开源模块建立对
打印机整体框架以及传动系统的受力分析的App，
对多喷头3D打印机的受力进行分析。经分析，当
打印机喷头在悬臂梁支撑架导轨末端处，考虑到打
印喷头运动过程中的振动变形及其自身质量对悬臂
2020年第5期（总第208期）
梁支撑架导轨产生的影响，其变形量最大位置受力
分析如图5所示。对打印机打印过程进行动态受力
分析，自打印工作开始从原点处出发，随着打印进
行向X、Y、Z三轴方向运动过程中，悬臂梁支撑架
导轨变形量呈线性增加（如图6）。结果表明，使
用欧标V220铝材搭建多喷头3D打印机主体框架，
在(200, 200, 200)处有最大变形量为0.026mm，其
打印过程变形量在误差范围之内，满足打印机受
力要求。
max: 0.0265449
(mm)
400
200
)
m
m
(
0
400
0
200
400
(mm)
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
0.03
）
m
0.02
m
（
量
形
变
0.01
0
050
1
距离（mm）
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
3
喷头运动分析
3D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，
精确完成打印工件的一个层面的二维打印后工作台上
升一个层的厚度，如此反复完成工件的三维打印
[20]
。
冯 韬
等：FDM型多喷头3D打印机设计与分析增材制造研究专题
57
11
coscos
α
cos
α
cos
ββ
coscos
β
cos
β
cos
γγ
2222
22
−−
coscos
α
+
α
cos
+
cos
ββ
(())
0
0
1111
2222
22
2222
22
coscos
α
+
α
cos+cos
β
)
β
coscos
α
+
α
cos+cos
β
)
β
)(((
coscos
ββ
coscos
αα
T
=
T
=
−
−
000
0
1111
2222
22
2222
22
α
+
α
cos
+
cos
β
)
β
)(
cos
α
+
α
cos+cos
β
)
β
)(
cos
(
cos
(
cos
coscos
αα
coscos
ββ
coscos
γγ
00
（7）
x
0
x
0
y
0
y
0
3.1 喷头运动分析
以单喷头3D打印机为例，其在打印工作过
程中以工作台中心为坐标原点建立坐标系，打印
喷头于该坐标系中移动，通过喷头与工作台的
联动控制实现工件的3D打印。多喷头3D打印机
在打印过程中，由Z轴的移动来控制每一层的打
印厚度和打印喷头在Z轴方向上下运动，因此其
运动控制单元仅需2.5轴的控制系统即可
[21]
。单
一喷头在工作时，首先喷头沿Z轴方向移动到工
作台上方打印处的二维层面，随后由X、Y两轴
联动完成工件一个层面的打印，其运动公式如
式(5)所示。
2
+
xy
2
=
r
2
z
=
h
（5）
其中：
r
∈
(0,100); h
∈
(0,100)
。
r
为打印机工作
台内切圆直径；
h
为打印机工作台升降高度。
当多喷头打印工作时，打印同样的工件的不同
区域需要使用不同喷头来完成，因此各个喷头的打
印区域为之前打印区域的一部分，喷头在平面内的
运动如式(6)所示。
θ
t
=
x
=
rcos
θ
y
=
rsin
θ
（6）
式中：
r
∈
(0,100)
，
θ
∈
(0,90)
。式(6)为该打印
喷头在LCS坐标系中平面运动函数公式，设定喷头
在LCS坐标系中的坐标为
P(x', y', z')
，则在WCS坐
标系中的坐标为
P(x, y, z)
。则由打印4个LCS坐标系
构建的WCS坐标系下，
θ
i
分别对应0°、90°、180°、
270°，其中
i
∈
(1,2,3,4)
，由位置移动辅助喷头实现
一个区域内的打印任务。当多个打印喷头协同工作
z
0
z
0
1
1
时，依据许社教
[22]
文中方法利用
[x' y' z' 1]
·
T
将单独
一个喷头机构LSC坐标系中坐标
P(x', y', z')
转换为打
印机整体WCS坐标中的坐标
P(x, y, z)
，其中
T
值如式
(7)所示。
式中：
α
、
β
、
γ
分别为LCS坐标系中Z'轴与WCS坐标
系中X轴、Y轴、Z轴夹角；
x
0
、
y
0
、
z
0
为LCS坐标系原
点坐标。
3.2 打印机成型坐标变量分析
依据多喷头3D打印机模型以工作台中心为坐标
原点建立坐标系。同时将打印喷头编号，则打印喷
头1在该坐标系中的变量为(
x
1
, y
1
)，其坐标值参数转
化为变量方程如下。
1）多喷头3D打印机中，打印喷头在X、Y、Z
三轴方向运动，则打印工件的轮廓模型及其内部填
充方式与各个喷头序号及其坐标变量值有关，各喷
头X、Y方向坐标变量关系式如式(8)所示。
=
x
ik
x
ik
x
ik
(
θ
t
)
+
x
ik
(
m
,
n
=
y
ik
y
ik
t
)
)
（8）
y
ik
(
θ
+
y
ik
(
m
,
n
)
2）喷头沿
Z
轴方向运动时，坐标变量与打印层
数以及每层的厚度相关，其坐标值变量公式变化如
式(9)所示。
Z=180−
δ
∗i
（9）
其中：
i
为层数；
k
为喷头序号；
δ
为打印层厚；
∆(
m, n
)为打印工件模型内部填充函数，
y
ik
(
θt
)和
x
ik
(
θt
)
为打印工件模型外部轮廓函数
[10]
。
多喷头3D打印机工作时必须保证多喷头的运动
不出现相互干涉情况，即在其中一个喷头进行打印
时，其他打印喷头需回到机械原点。
58
数字印刷
2020年第5期（总第208期）
实现X、Y、Z三轴的移动控制系统设计。多喷头3D
4
控制系统设计
机的控制流程图如图7所示。
4.1 打印机控制对象解析
依据多喷头3D打印机与工作台的相对运动方多喷头3D打印机的控制对象包含打印喷头装
式，基于多轴联动控制模式
[23]
以及开放式分层软置以及传动系统。其中打印喷头装置包含送丝机
件，通过分布式和串联控制模块对4个打印机喷头构、加热熔融机构以及挤压控制机构；传动系统
开始
启动NC程序
系统自检是
否
否通过？
是
提取模型文件数据并将模型切片分层数字化制定打印计划
打印喷头复位 工作台升温预热
需要1号喷头
否
需要2号喷头
否
需要3号喷头
否
需要4号喷头
进行打印工作?进行打印工作?进行打印工作?进行打印工作?
是是是是
设定该喷头为打印第1喷头设定该喷头为打印第2喷头设定该喷头为打印第3喷头设定该喷头为打印第4喷头
喷头升温预热喷头升温预热喷头升温预热喷头升温预热
否
喷头温度达到
否
喷头温度达到
否
喷头温度达到
否
喷头温度达到
耗材熔点耗材熔点耗材熔点耗材熔点
是是是是
挤压进料装置开始工作挤压进料装置开始工作挤压进料装置开始工作挤压进料装置开始工作
喷头空腔内压力增加喷头空腔内压力增加喷头空腔内压力增加喷头空腔内压力增加
X
Z
、
轴移动到第
Y两轴联动开始第
n
层打印层位置
n
层打印X
Z
、
轴移动到第
Y两轴联动开始第
n
层打印层位置
n
层打印X
Z
、
轴移动到第
Y两轴联动开始第
n
层打印层位置
n
层打印X
Z
、
轴移动到第
Y两轴联动开始第
n
层打印层位置
n
层打印
否
第1喷头打印
否
第2喷头打印
否
第3喷头打印
否
第4喷头打印
任务完成？任务完成？任务完成？任务完成？
是是是是
第1喷头回归初始第2喷头回归初始第3喷头回归初始第4喷头回归初始
安全位置安全位置安全位置安全位置
否
总体打印是
否完成？
是
结束
图7 多喷头3D打印机控制流程图
Fig.7 Control flow chart of the multi-nozzle 3D printer
冯 韬
等：FDM型多喷头3D打印机设计与分析
包含4组喷头在X、Y、Z三轴方向的运动控制。
通过相关传感器对打印机工作状态实时监控，实
现对喷头的送丝机构、喷头X、Y、Z三轴运动
时的挤压速度、运动方向以及运动速度进行指
令控制。
在打印工作过程中，首先由软件在WCS坐标
系下将待打印工件的三维模型进行切片分层信号
数字化处理，并根据打印形状与尺寸将打印任务
划分给相关打印头。当打印工件尺寸较小且仅需
要单一颜色时，只需要使用单一喷头完成打印任
务；当打印工件尺寸较小但需要多种颜色时，则
需借助打印平台Z轴辅助旋转装置，将打印平台旋
转90°、180°、270°至相应颜色喷头处完成多
颜色打印任务；当打印工件尺寸较大且需要多颜
色打印时，单一喷头无法完成全尺寸覆盖打印，
由系统自动将打印工件在WCS坐标系下切分为对
应4个LCS坐标系下的4部分打印任务，当其中一个
喷头完成其对应打印任务时，由打印平台的Z轴辅
助旋转90°、180°、270°至相应颜色喷头处完
成多颜色打印，最终组合形成一个整体，完成打
印任务。
4.2 打印机控制流程分析
打印机开机后启动NC程序，当程序自检通过
后，系统自动将导入的STL格式的工件模型文件数
字化，随即打印喷头和工作台升温预热，准备打印
工作。根据转换后的数字化文件，将工件的三维模
型切片分层计算出每一层印刷的喷头轨迹，当系统
检测到文件中存在需要更换使用另一种材料或颜色
的耗材的程序，系统将通过控制送丝机构和喷头的
驱动执行机构更换装有不同颜色和不同类型的耗材
的喷头进行打印工作。如此每层的打印工作完成后
反复进行下一层的打印，层层叠加，最终实现工件
的3D打印。
5
结论
本研究基于对现有单喷头3D打印机的分析，
针对其不能满足多种材料、多种颜色同时打印的缺
增材制造研究专题
59
陷，通过模拟仿真法设计多喷头3D打印机，并建
立三维立体模型分析其结构性能、打印过程运动分
析以及程序控制分析。结果表明，该FDM型多喷
头3D打印机取材广泛，构建简单，多喷头可配合
工作减少更换耗材的时间，具有低成本，高效率，
可进行多种材料、多种颜色同时打印等优点。未
来可在此基础上深入研究其控制系统，优化各个
喷头协同打印能力，提高打印精度和打印效率，
为今后FDM型多喷头3D打印机的设计提供一定的
参考。
参考文献
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E-mail:*****************（通讯作者）
书 讯
中国印刷年鉴(
2016
—
2020
)
本书全面、系统地反映了我国印刷工业2016-2020年间的整体及主要细分市场、区域市场的发
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中国印刷杂志社 组织编写
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出版单位：文化发展出版社
2024年5月24日发(作者：朋紫雪)
数字印刷
2020年第5期（总第208期）
增材制造研究专题
DIGITAL PRINTING Tol.208 No.5 2020.10
ADDITIVE MANUFACTURING RESEARCH SPECIAL
FDM型多喷头3D打印机设计与分析
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、多种颜色的问题，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色打印的优点，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)05-53-09
DOI
10.19370/10-1304/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
新型材料以及计算机辅助设计等多技术于一体的新
0
引言
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
在日益全球化的今天，制造业正向数字化和
Modeling，FDM）、选择性激光烧结技术（Selective
智能化方向飞速发展，3D打印技术作为数字化精
Laser Sintering，SLS）、光固化成型技术（Stereo
确控制下的快速成型制造方式，引领着智能制造
Lithography Apparatus，SLA）以及叠层制造技术
技术发展的浪潮
[1-2]
。3D打印技术是集数字化控制、（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
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，打印颜色单
一且打印效率低下，不能满足多种材料以及多种颜
色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色的打印，要想实现多种
材料、多种颜色的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色时，
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
2020年第5期（总第208期）
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
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。
打印喷头
滑轮导轨
驱动装置
丝杠导轨
驱动装置
立柱
工作台
底座
图2 多喷头3D打印机整体结构
Fig.2 Structure of FDM multi-nozzle 3D Printer
增材制造研究专题
55
1.3 执行机构设计
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。
丝状打印耗材
安装支架
挤压进料装置
保温隔热材料
加热熔融装置
打印喷嘴
工作台
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
v
m
a
E,I
h
,m
O
x
X
a
L
Y
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
56
数字印刷
上运动，
E
为悬臂梁支撑架导轨的弹性模量，
I
h
为悬
臂梁支撑架导轨截面的等效惯性矩，
m
为悬臂梁支
撑架导轨的自身质量，则在
t
时刻悬臂梁支撑架导轨
上
x
处的挠度为
y(x,t)
[16-17]
。
将模型简化后依据Euler-Beroulli梁理论
[18]
，
忽略悬臂梁支撑架导轨的横向剪切变形以及阻尼
对其振动的影响，考虑到在打印喷头沿着悬臂梁
支撑架导轨运动的同时，打印喷头也随着悬臂梁
支撑架导轨上下振动，同时考虑到打印喷头质量
的惯性力，则打印喷头在运动过程中对悬臂梁支
撑架导轨的作用力方程
[19]
如式(1)所示。在力
F(x,t)
的
作用下，悬臂梁支撑架导轨振动的微分方程如
式(2)所示。
F（x
,
t
)
=
[
m
a
(
g−y
(
x
,
t
)
]
δ
(
x−x
a
)
（1）
F
(
x
,
t
)
∂
4
y
(
x
,
t
)
∂
2
=
EI
y
h
(
x
,
t
)
∂
x
4
+
m
∂
t
2
（2）
其中：
(x,t)
为打印喷头在
x
处的沿着
Y
方向上的
振动加速度，即
y(x,t)
对时间
t
求偏导数得到的函数，
g
为重力加速度，
δ
为Dirac函数。根据式(1)和式(2)
再次变换求导可以求得打印喷头在悬臂梁支撑架导
轨
x
处的
Y
方向上的振动速度如式(3)所示，振动加速
度如式(4)所示，延伸求出打印喷头在悬臂梁支撑架
导轨上运动，悬臂梁支撑架导轨的振动变形函数。
=
（
y
x
,
t
)
∂
y
(
x
,
t
∂
x
)
x
+
∂
y
(
x
,
t
)
∂
t
（3）
（
yx
,
t
)
=
∂
y
(
x
,
t
)
∂
x
x
+
∂
2
y
(
x
,
t
)
∂
t
2
+
∂
2
y
(
x
,
t
)
∂
x
2
x
2
+2
∂
2
y
(
∂
x
x
,
t
)
∂
t
x
（4）
依据悬臂梁结构分析原理，将设计的多喷头3D
打印机框架进行模型简化，然后对其进行网格划
分，根据各个零部件的实际重量转化为施加在简化
模型上的力，基于COMSOL软件的开源模块建立对
打印机整体框架以及传动系统的受力分析的App，
对多喷头3D打印机的受力进行分析。经分析，当
打印机喷头在悬臂梁支撑架导轨末端处，考虑到打
印喷头运动过程中的振动变形及其自身质量对悬臂
2020年第5期（总第208期）
梁支撑架导轨产生的影响，其变形量最大位置受力
分析如图5所示。对打印机打印过程进行动态受力
分析，自打印工作开始从原点处出发，随着打印进
行向X、Y、Z三轴方向运动过程中，悬臂梁支撑架
导轨变形量呈线性增加（如图6）。结果表明，使
用欧标V220铝材搭建多喷头3D打印机主体框架，
在(200, 200, 200)处有最大变形量为0.026mm，其
打印过程变形量在误差范围之内，满足打印机受
力要求。
max: 0.0265449
(mm)
400
200
)
m
m
(
0
400
0
200
400
(mm)
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
0.03
）
m
0.02
m
（
量
形
变
0.01
0
050
1
距离（mm）
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
3
喷头运动分析
3D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，
精确完成打印工件的一个层面的二维打印后工作台上
升一个层的厚度，如此反复完成工件的三维打印
[20]
。
冯 韬
等：FDM型多喷头3D打印机设计与分析增材制造研究专题
57
11
coscos
α
cos
α
cos
ββ
coscos
β
cos
β
cos
γγ
2222
22
−−
coscos
α
+
α
cos
+
cos
ββ
(())
0
0
1111
2222
22
2222
22
coscos
α
+
α
cos+cos
β
)
β
coscos
α
+
α
cos+cos
β
)
β
)(((
coscos
ββ
coscos
αα
T
=
T
=
−
−
000
0
1111
2222
22
2222
22
α
+
α
cos
+
cos
β
)
β
)(
cos
α
+
α
cos+cos
β
)
β
)(
cos
(
cos
(
cos
coscos
αα
coscos
ββ
coscos
γγ
00
（7）
x
0
x
0
y
0
y
0
3.1 喷头运动分析
以单喷头3D打印机为例，其在打印工作过
程中以工作台中心为坐标原点建立坐标系，打印
喷头于该坐标系中移动，通过喷头与工作台的
联动控制实现工件的3D打印。多喷头3D打印机
在打印过程中，由Z轴的移动来控制每一层的打
印厚度和打印喷头在Z轴方向上下运动，因此其
运动控制单元仅需2.5轴的控制系统即可
[21]
。单
一喷头在工作时，首先喷头沿Z轴方向移动到工
作台上方打印处的二维层面，随后由X、Y两轴
联动完成工件一个层面的打印，其运动公式如
式(5)所示。
2
+
xy
2
=
r
2
z
=
h
（5）
其中：
r
∈
(0,100); h
∈
(0,100)
。
r
为打印机工作
台内切圆直径；
h
为打印机工作台升降高度。
当多喷头打印工作时，打印同样的工件的不同
区域需要使用不同喷头来完成，因此各个喷头的打
印区域为之前打印区域的一部分，喷头在平面内的
运动如式(6)所示。
θ
t
=
x
=
rcos
θ
y
=
rsin
θ
（6）
式中：
r
∈
(0,100)
，
θ
∈
(0,90)
。式(6)为该打印
喷头在LCS坐标系中平面运动函数公式，设定喷头
在LCS坐标系中的坐标为
P(x', y', z')
，则在WCS坐
标系中的坐标为
P(x, y, z)
。则由打印4个LCS坐标系
构建的WCS坐标系下，
θ
i
分别对应0°、90°、180°、
270°，其中
i
∈
(1,2,3,4)
，由位置移动辅助喷头实现
一个区域内的打印任务。当多个打印喷头协同工作
z
0
z
0
1
1
时，依据许社教
[22]
文中方法利用
[x' y' z' 1]
·
T
将单独
一个喷头机构LSC坐标系中坐标
P(x', y', z')
转换为打
印机整体WCS坐标中的坐标
P(x, y, z)
，其中
T
值如式
(7)所示。
式中：
α
、
β
、
γ
分别为LCS坐标系中Z'轴与WCS坐标
系中X轴、Y轴、Z轴夹角；
x
0
、
y
0
、
z
0
为LCS坐标系原
点坐标。
3.2 打印机成型坐标变量分析
依据多喷头3D打印机模型以工作台中心为坐标
原点建立坐标系。同时将打印喷头编号，则打印喷
头1在该坐标系中的变量为(
x
1
, y
1
)，其坐标值参数转
化为变量方程如下。
1）多喷头3D打印机中，打印喷头在X、Y、Z
三轴方向运动，则打印工件的轮廓模型及其内部填
充方式与各个喷头序号及其坐标变量值有关，各喷
头X、Y方向坐标变量关系式如式(8)所示。
=
x
ik
x
ik
x
ik
(
θ
t
)
+
x
ik
(
m
,
n
=
y
ik
y
ik
t
)
)
（8）
y
ik
(
θ
+
y
ik
(
m
,
n
)
2）喷头沿
Z
轴方向运动时，坐标变量与打印层
数以及每层的厚度相关，其坐标值变量公式变化如
式(9)所示。
Z=180−
δ
∗i
（9）
其中：
i
为层数；
k
为喷头序号；
δ
为打印层厚；
∆(
m, n
)为打印工件模型内部填充函数，
y
ik
(
θt
)和
x
ik
(
θt
)
为打印工件模型外部轮廓函数
[10]
。
多喷头3D打印机工作时必须保证多喷头的运动
不出现相互干涉情况，即在其中一个喷头进行打印
时，其他打印喷头需回到机械原点。
58
数字印刷
2020年第5期（总第208期）
实现X、Y、Z三轴的移动控制系统设计。多喷头3D
4
控制系统设计
机的控制流程图如图7所示。
4.1 打印机控制对象解析
依据多喷头3D打印机与工作台的相对运动方多喷头3D打印机的控制对象包含打印喷头装
式，基于多轴联动控制模式
[23]
以及开放式分层软置以及传动系统。其中打印喷头装置包含送丝机
件，通过分布式和串联控制模块对4个打印机喷头构、加热熔融机构以及挤压控制机构；传动系统
开始
启动NC程序
系统自检是
否
否通过？
是
提取模型文件数据并将模型切片分层数字化制定打印计划
打印喷头复位 工作台升温预热
需要1号喷头
否
需要2号喷头
否
需要3号喷头
否
需要4号喷头
进行打印工作?进行打印工作?进行打印工作?进行打印工作?
是是是是
设定该喷头为打印第1喷头设定该喷头为打印第2喷头设定该喷头为打印第3喷头设定该喷头为打印第4喷头
喷头升温预热喷头升温预热喷头升温预热喷头升温预热
否
喷头温度达到
否
喷头温度达到
否
喷头温度达到
否
喷头温度达到
耗材熔点耗材熔点耗材熔点耗材熔点
是是是是
挤压进料装置开始工作挤压进料装置开始工作挤压进料装置开始工作挤压进料装置开始工作
喷头空腔内压力增加喷头空腔内压力增加喷头空腔内压力增加喷头空腔内压力增加
X
Z
、
轴移动到第
Y两轴联动开始第
n
层打印层位置
n
层打印X
Z
、
轴移动到第
Y两轴联动开始第
n
层打印层位置
n
层打印X
Z
、
轴移动到第
Y两轴联动开始第
n
层打印层位置
n
层打印X
Z
、
轴移动到第
Y两轴联动开始第
n
层打印层位置
n
层打印
否
第1喷头打印
否
第2喷头打印
否
第3喷头打印
否
第4喷头打印
任务完成？任务完成？任务完成？任务完成？
是是是是
第1喷头回归初始第2喷头回归初始第3喷头回归初始第4喷头回归初始
安全位置安全位置安全位置安全位置
否
总体打印是
否完成？
是
结束
图7 多喷头3D打印机控制流程图
Fig.7 Control flow chart of the multi-nozzle 3D printer
冯 韬
等：FDM型多喷头3D打印机设计与分析
包含4组喷头在X、Y、Z三轴方向的运动控制。
通过相关传感器对打印机工作状态实时监控，实
现对喷头的送丝机构、喷头X、Y、Z三轴运动
时的挤压速度、运动方向以及运动速度进行指
令控制。
在打印工作过程中，首先由软件在WCS坐标
系下将待打印工件的三维模型进行切片分层信号
数字化处理，并根据打印形状与尺寸将打印任务
划分给相关打印头。当打印工件尺寸较小且仅需
要单一颜色时，只需要使用单一喷头完成打印任
务；当打印工件尺寸较小但需要多种颜色时，则
需借助打印平台Z轴辅助旋转装置，将打印平台旋
转90°、180°、270°至相应颜色喷头处完成多
颜色打印任务；当打印工件尺寸较大且需要多颜
色打印时，单一喷头无法完成全尺寸覆盖打印，
由系统自动将打印工件在WCS坐标系下切分为对
应4个LCS坐标系下的4部分打印任务，当其中一个
喷头完成其对应打印任务时，由打印平台的Z轴辅
助旋转90°、180°、270°至相应颜色喷头处完
成多颜色打印，最终组合形成一个整体，完成打
印任务。
4.2 打印机控制流程分析
打印机开机后启动NC程序，当程序自检通过
后，系统自动将导入的STL格式的工件模型文件数
字化，随即打印喷头和工作台升温预热，准备打印
工作。根据转换后的数字化文件，将工件的三维模
型切片分层计算出每一层印刷的喷头轨迹，当系统
检测到文件中存在需要更换使用另一种材料或颜色
的耗材的程序，系统将通过控制送丝机构和喷头的
驱动执行机构更换装有不同颜色和不同类型的耗材
的喷头进行打印工作。如此每层的打印工作完成后
反复进行下一层的打印，层层叠加，最终实现工件
的3D打印。
5
结论
本研究基于对现有单喷头3D打印机的分析，
针对其不能满足多种材料、多种颜色同时打印的缺
增材制造研究专题
59
陷，通过模拟仿真法设计多喷头3D打印机，并建
立三维立体模型分析其结构性能、打印过程运动分
析以及程序控制分析。结果表明，该FDM型多喷
头3D打印机取材广泛，构建简单，多喷头可配合
工作减少更换耗材的时间，具有低成本，高效率，
可进行多种材料、多种颜色同时打印等优点。未
来可在此基础上深入研究其控制系统，优化各个
喷头协同打印能力，提高打印精度和打印效率，
为今后FDM型多喷头3D打印机的设计提供一定的
参考。
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E-mail:*****************（通讯作者）
书 讯
中国印刷年鉴(
2016
—
2020
)
本书全面、系统地反映了我国印刷工业2016-2020年间的整体及主要细分市场、区域市场的发
展情况。书中汇集了5年来印刷及相关领域发展的统计数据，基本展示了“十三五”以来我国印刷
业发展取得的成绩，对相关政府部门制定行业发展政策，为企业了解和把握未来发展趋势并作出
正确决策具有一定的参考性和实用性。
作者：中国印刷技术协会
ISBN 978-7-5142-3107-6
中国印刷杂志社 组织编写
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