3D打印机加热床优化方案：硅胶加热垫与创新散热设计

3D打印机打印时需要加热床。由于3D打印机在打印过程中，随着打印进程逐渐展开，打印件的最底层最先冷却，打印件冷却产生微弱的收缩（热胀冷缩原理），这种情况往往会发生翘曲（底层收缩比上层快），所以打印时经常可以看到打印件的某边或者棱角离开打印床后会翘起。使用加热床可以让最开始将要冷却的打印层保温，延缓其收缩速度，等打印进程完毕，形成整体打印作品时再让其冷却，这样可使打印件一致性更好，打印件成品质量更高。图3-23为Prusai3加热床，图3-24为Kossel Mini加热床，图3-25为Ultimaker2加热床。

图3-23 Prusai3加热床

图3-24 Kossel Mini加热床

图3-25 Ultimaker2加热床

1.隔离材料

在加热过程中，加热床中心温度要高于四边温度（四边相比中心散热更快），所以打印时经常出现加热床四边发生翘曲，加热床温度高也容易使底面塑料打印件软化变形。隔离加热床底部温度不但可以使温度分布均匀（底部四边散热慢），还可以防止软化加热床底面的塑料打印件。隔热材料一般使用硬纸板、羊毛、棉布覆盖的中密度纤维板，也可以直接使用木板或三合板隔离加热床底部温度。

2.加热床电线

加热床中加热原件的工作电流在6～10A，加热床连线需要承受6～10A的电流，所以至少要选择0.5mm²（20AWG）以上的线材，生活中可以选择接灯线、摩托车线、粗的音响线。加热床和电线连接部位的电线容易融化发生短路，可以在每根电线外层使用特氟龙管绝缘隔离。劣质电线经过大电流时非常容易发生外部线皮融化，甚至燃烧。特别是一些使用220V电压的加热床，劣质电线很容易发生火灾或者触电，这要格外注意。

3.打印平台材料

1）玻璃：3D打印机打印平台材料经常使用玻璃，常见的是用3mm厚的普通玻璃板作为打印平台。玻璃在建筑商店、五金商店都可以轻松买到，价格便宜，并可以让商店的师傅帮忙切割成需要的大小，不易变形弯曲，导热系数小。但是玻璃的加热温度比较难预测，加热不均匀时易碎裂，需要专业工具切割，在平台移动时易振动。使用时，普通玻璃大多配合铝板使用，这样会使玻璃温度分布更均匀；并且使用时注意玻璃面积尽量小于或等于加热区域面积，避免加热玻璃温度不均匀而碎裂。使用普通玻璃时，加热温度控制在80～100℃；相比而言高硼硅玻璃更安全些，其加热温度可达200℃，并且强度更高，但价格比较贵；如果需要更高的加热温度，可以考虑烤箱、微波炉所使用的安全玻璃。

2）陶瓷玻璃：国外的一些3D打印厂商使用陶瓷玻璃作为打印平台材料，这种新型材料避免了加热不均匀时碎裂的问题，并且切割和钻孔更容易（不易碎）。使用时需要注意，这种新型陶瓷玻璃的比热容比玻璃低得多，导热迅速，应避免过快速的加热。

3）金属：铝板、铜板、钢板经常作为3D打印机打印平台材料。铝板的优点是比热容、热传导都相对较高，温度分布更均匀；缺点是易变形，加热时膨胀系数大。而铜板、钢板比热容比铝板要高得多，加热或降温都需要更长时间，保温效果更好。

4.加热材料(www.xing528.com)

1）镍铬合金丝：3D打印机刚刚兴起时，爱好者普遍寻找最简单、最有效的方法来实现各种功能。在那个阶段，爱好者在木板上一行行固定镍铬合金丝，并在合金丝的外层贴上聚酰亚胺胶带来实现加热床的功能，并可以达到基本满意的效果。使用镍铬合金丝需要自行计算长度所对应的电阻，以及在电路中工作的电流（注意电流过大会烧坏电路中的MOS元件）。镍铬合金丝的特点是经济实惠，但操作起来需要一定的动手能力，需要了解欧姆定律的相关知识，加热不够均匀。

2）PCB加热板：随着3D打印机的发展，开源社区渐渐流行PCB加热板作为加热床的加热材料。PCB加热板价格低廉，加热均匀，最常见的型号是MK2A、MK2B。Mendel系列3D打印机大多使用MK系列PCB加热板，在网络上出售的DIY3D打印机也使用PCB加热板，并且网络上很多3D打印机商家出售MK系列的PCB加热板，可以看出PCB加热板使用广泛。在选购时需要注意，PCB加热板最好使用1oz^[2]（大约35μm厚度）的铜箔或者镀金铜箔，并且PCB加热板的铜箔薄厚应尽量均匀，才能达到最好的加热效果（有些商家生产的PCB加热板使用铝箔，薄厚不均，加热缓慢，甚至不能达到要求温度）；使用PCB加热板还需要注意使用的电源能提供10A以上的电流。

最近MK3加热板使用越来越广泛，常见的商用桌面3D打印机大都使用这种结构的加热板。MK3加热板集成了一块3.2mm的铝板，打印件可以直接打印到铝板上，相对传统PCB加热板和玻璃组合式的加热方式更轻，打印速度更快。MK3加热板采用12V、24V双电源设计，这样设计的好处是不仅兼容以往12V为主电源的PCB加热板，而且适用24V电源，由于电压提高了一倍而电流减少了一半，电线发热更小，并且可以使用更细的电线替换以往粗壮的电线，更有利于加热床的高速移动。这种集成铝板式的加热板加热迅速，24V电源下温度加热到100℃只需2min。最大加热温度更高，最高可达180℃。MK3加热板提供了三孔和四孔的固定方式。三孔固定方式相对于四孔固定方式更容易调节打印平台水平。现在MK3加热板在DIY爱好者中最受欢迎，逐渐取代了PCB加热板和玻璃的组合形式。图3-26所示为MK3加热板。

图3-26 MK3加热板

5.硅胶加热垫

现在越来越多商业型3D打印机使用硅胶加热垫加热。硅胶加热垫的特点是加热迅速，可以达到很高的温度，可靠性好，易于安装，但价格相对昂贵。使用硅胶加热垫加热时，需要注意加热床温度探头不能离开加热垫，因为如果检测不到温度，加热床会一直加热，造成加热床的温度特别高。

6.聚酰亚胺加热薄膜

聚酰亚胺加热薄膜非常薄，性能与硅胶加热垫几乎一致，适合轻薄设计场合，其发热效率明显优于PCB加热板，大大缩短了加热时间，但是价格高昂。

7.半导体制冷片

半导体制冷片一面制冷，另一面散热。爱好者使用半导体制冷片散热的一面贴到铝板上起到加热的作用，这种设计极具创新力，并且有成功的实现案例。编者并未尝试这种加热方法，利弊还需大家自行测试，鼓励大家尝试类似的创新想法。

8.加热电子电路

1）MOS驱动电路：3D打印机控制板大都集成了MOS驱动电路，可以同时加热挤出头和加热床。通过热敏电阻检测加热头或加热床的温度，软件根据检测的温度调节通过加热床电流的大小（调节加热床的加热幅度），这样就可以自动调节加热床的加热温度大小并使加热床保持在一定温度范围内。MOS驱动电路电路复杂，需要软件配合使用，并需要电路板输出PWM信号传入MOS驱动电路。

2）金属温度开关：3D打印机加热床大多需要保持在恒定的温度（ABS为110℃，PLA为50℃），一种简单、低廉的解决方法是使用金属温度开关，这种开关达到标示的规格温度时就会停止加热，低于此温度时就会触发加热开关（常闭型）。金属温度开关只要几元一个，并有大量温度规格可选，电热水壶使用的就是这种开关；其连接电路极其简单，只需把金属温度开关和加热床串联接入电源，并把金属温度开关安装到加热材料上（需要测量加热材料的温度）即可。