让我们看看这些元素以及它们的作用：

在加热器筒（蓝色）是一种将电动成热能以熔化塑料的设备。30 和 40 W 是常见的。

温度传感器（红色）用于向主板提供反馈。

该区域的灯丝路径（金色）由喷嘴和隔热板组成，其中包含熔体区。

该加热器块（透明绿色）是所有零件安装。它还充当将热能从加热器筒传递到热传感器和灯丝路径的介质。它还充当控制电路的阻尼器。

现在，让我们把事情放在一起，省略电线和冷端（以及灯丝路径的内部几何形状，因为我很懒）：

现在，该结构为我们提供了加热器块形状的几个原因：

• 施工方便。取一个简单的块并添加几个孔和一个切口可以非常快速地生产。
• 最大接触面。为了获得与加热器支架的最大接触面，加热器块必须沿其整个长度接触，从而规定两个方向的最小尺寸。热传感器也是如此。
• 加热器块几乎从加热器筒径向传输温度。因为是金属，所以区域之间的梯度很低，但是是可以测量的。这些将是加热时的热等效线：

您可能很容易注意到，当温度线靠近灯丝路径和热传感器时，它们看起来更直。这有助于使热断路器和喷嘴中的灯丝受热更均匀，打印效果更佳。

不过，我制作的模型有一个故意的缺陷：温度的变化首先影响灯丝，然后出现在传感器上，使灯丝路径中的温度摆动到了极点。加热器块的作用就像一个发射器，就像加热命令和拾音器之间的时间膨胀一样。

因为这种安排不是很好，让我们交换传感器和灯丝路径并查看相同的线路。

现在我们有一个更短的反馈回路，使我们的打印机能够更快地对温度变化做出反应，并且灯丝路径也得到更均匀的加热。灯丝路径内的温度在目标温度附近变化较小。整个街区现在主要充当分配介质，但也充当热能存储：

到目前为止，我们还没有考虑一个非常简单的事实：热端通过两个区域排出热能：

• 加热器块的外表面向空气散发热量。
• 长丝熔化并挤出。

因素 1 很简单，这里更大的加热器块实际上是积极的：热量“存储”容量取决于体积，因此 $xyz \approx a^3$. 散发热量的表面与$2\times(xy+xz+yz)\approx 6\times a^2$. 绘制一个图形向我们展示了立方体定律：一个单元的容量增加确实增加了表面积的一小部分，因此加热器块越大，存储效果越好。

因素 2 是我们首先需要储存热能的原因：灯丝的流动并不总是完全相同。当然，我们有均匀流动的时刻，但当打印机在打印件的各个部分之间移动时，我们也有低流量或无流量的时刻。这种从加热块排出热能的改变意味着，如果我们将尺寸减小到最小尺寸，我们将在移动时快速加热加热块，并在挤压开始时冷却直到达到平衡再次。储存能量的热容量越大，挤压不足对打印的直接影响就越小，灯丝路径中的温度也就越均匀。

打印速度快？！

如何使用特殊的热端实现更快的打印？好吧，在用于非常快速或非常热打印的热端中使用了 4 个因素：

• 更长、更强大的加热器筒。
• 更长的灯丝路径。
• 特大的加热块使挤压下的温度变化更加均匀。
• 将加热块与空气绝缘。

一个主要的例子是 e3D-Volcano。

我认为这个想法是不要快速改变温度。您希望它保持一定的温度，以便获得一致的流量。热端的额外质量提供了保持热量所需的质量。如果您在打印时不保持热量，则会出现不一致的细丝流动，这会破坏您的打印。

加热块用于热端，因为它们是成本、可靠性、寿命、维护和性能等设计因素之间的当前工程折衷。

理想情况下，没有加热器块，加热器具有无限瓦数，喷嘴会在将热量传递给灯丝的同时立即加热和冷却，并且可以立即测量熔融塑料的温度。

但由于这是工程而不是魔法，这些条件都不是理想的。工程问题是找到正确的折衷方案。

这些中的每一个都可以单独处理。我们如何测量塑料的温度？假设我们在塑料流中有一个微小的热电偶。为什么是热电偶？因为它更小，更不容易产生制造公差，并且适用于更高的温度。

想象一个加热器，其中加热丝形成喷嘴拧入的螺纹，并且喷嘴的壁更薄以减少喷嘴的热质量。此外，喷嘴由金刚石制成，其热导率几乎是黄铜的十倍。是的，加工钻石并不容易，足够大的钻石供应有限，但我们还没有妥协。

在这个方案中，没有加热块。我们立即知道塑料的温度，我们可以将大量热量排放到系统中以获得足够高的温度。我们仍然必须将喷嘴固定到位并将其与灯丝源连接（通常是“热断裂”的工作），所以让我们制作隔热陶瓷，使其不受传热过程的影响。

有了这个，我们就有了一个热端，我们可以很好地控制。我们直接测量我们关心的参数——塑料的温度。我们可以快速提供热量。当挤出速率增加时，温度会下降一点，我们会释放出更多的热量。热电偶很脆弱（不要尝试冷拉），并且容易磨损。喷嘴非常昂贵且难以制造。

好的，将热电偶移到喷嘴尖端的外侧。现在我们有了一个用喷嘴螺纹紧密包裹的加热器。这可能很难做到，所以让我们使用非常靠近喷嘴螺纹的传统加热器筒。让我们在螺纹附近放入尽可能多的加热器。如果我们调整加热器的角度，它们就不会相互碰撞，所以假设我们可以在喷嘴周围放置四个间隔开的加热器。更多的热量，更短的热量到喷嘴的距离。制作这个新的银加热块，就像喷嘴一样。银的导热率比铝高 80%。（或者我们可以使用钻石，但真的，谁有那么大的钻石？）

我假设有一个热电偶来测量喷嘴温度，它足够小，可以放在喷嘴中的一个小房子里。我们可以使用压入喷嘴孔中的热敏电阻，但经验表明热敏电阻是易碎的。我们发现微小的玻璃珠容易破碎玻璃，与细引线分离。使用热敏电阻测量温度的电子设备比热电偶更简单、更便宜，而且似乎具有足够好的分辨率、精度和温度范围。如果我们遵循这种经验，我们会将热敏电阻封装在一个更容易、更可靠地放置并保护热敏电阻免受损坏的盒式外壳中。但是墨盒太大，无法直接与喷嘴连接，因此我们将其与加热器放在同一块中。毕竟，

这可能是比传统系统更好的热端。它加热更快，更准确地测量塑料的温度。但是也有问题。银更重，四个加热器及其接线的质量大于一个。而且，加热器盒的孔每个都在不同的平面上，因此加工成本更高。白银的价格可能是一个因素。白银的成本（今天）为215美元/磅，其中铝为 0.80 美元/磅。

在这个答案中，我试图展示加热器块如何用于将热量从加热器耦合到喷嘴，并表明存在可能具有卓越性能但存在可靠性或成本问题的替代方案。

编辑：在评论中，OP 询问为什么我们不加工掉不需要将热量耦合到喷嘴的额外材料，并正确地提出了成本问题。也可能存在性能问题。

传统的加热器仅在喷嘴的一侧。当加热器被灯丝冷却时，它会从四面八方吸取热量。非加热侧的热质量通过提供喷嘴可以从中吸取的热源来帮助稳定性。

在加热器方面，需要考虑的一个因素是从加热器筒到加热器块的热量耦合。应评估去除附加材料，以确保它不会增加从加热器到块的其余部分和热敏电阻的热阻。这对于帮助热稳定性以及确保加热器不会自身过热很重要。

对于热导率值，我使用了这个参考。对于金属定价，我使用 Google 查找 2019 年 6 月 3 日的现货金属价格。