FDM 3D打印機(jī)噴頭溫度場仿真及實(shí)驗(yàn)研究＊

于 仙 尤曉萍 董其緣 孫滿乾

（①廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院漢印電子先進(jìn)打印技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，福建 漳州 363105；②廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建 漳州 363105）

熔融擠出成型(FDM)打印是一種非激光型3D打印成型工藝，其材料主要為熱塑性材料，如PLA、ABS、PC和尼龍等，材料一般為絲狀。打印機(jī)工作時(shí)，其噴頭組件沿打印件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動，同時(shí)將熔化的材料擠出，并與周圍的材料粘結(jié)且迅速固化，每一個層片都是在上一層上堆積而成，上一層對當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。影響FDM打印件成型速度及精度的因素很多，如熱床水平度、切片參數(shù)及噴頭組件溫度控制等，其中噴頭組件溫度控制直接影響著材料的形態(tài)，因此對最終的打印效果影響較大。近年來，工程研發(fā)人員針對噴頭組件散熱效果及溫度控制等方面進(jìn)行了深入的研究并取得了較多成績[1-3]，如林若波等通過溫度測試及仿真，研究了喉管在加熱塊及散熱片之間的長度及底層散熱厚度對噴頭組件溫度性能的影響[4]；王占禮等通過對散熱片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，分析了鰭片式散熱片的散熱間距、厚度及數(shù)量對噴頭組件散熱性能的影響[5]；胡亞南等人從控制方法入手，研究了自適應(yīng)模糊PIP控制對噴頭溫度控制的影響，提升了溫度控制精度[6]。本文以自制FDM 3D打印機(jī)的噴頭組件為研究對象，PLA為測試用材料，研究不同形狀及布局的散熱片對噴頭組件熱傳遞性能的影響，根據(jù)散熱片設(shè)計(jì)準(zhǔn)則完成葉片式、渦輪式和川式散熱片的設(shè)計(jì)；以瞬態(tài)溫度傳熱理論為基礎(chǔ)，利用ANYSY完成瞬態(tài)熱仿真；使用接觸式測溫儀完成渦輪式散熱片噴頭組件溫度場測試，最終得到最優(yōu)的散熱片結(jié)構(gòu)，旨在進(jìn)一步提高自制打印機(jī)的打印精度。

1 打印機(jī)噴頭組件設(shè)計(jì)

1.1 噴頭組件的構(gòu)成

PLA（聚乳酸）是一種新型的生物基及可再生生物降解材料，溫度在60 ℃以下為固態(tài)，60～170 ℃區(qū)間為半熔融態(tài)，170～200 ℃區(qū)間為液態(tài)[7]。打印機(jī)工作時(shí)，加熱塊將PLA材料加熱至200 ℃左右，材料變?yōu)橐簯B(tài)；散熱片處安裝有風(fēng)扇對其進(jìn)行散熱，此處的材料應(yīng)為固態(tài)，介于加熱塊與散熱片之間的喉管內(nèi)的材料處于半熔融態(tài)。擠出輪在供料馬達(dá)的的驅(qū)動下帶動固態(tài)材料從管路內(nèi)向下移動，推進(jìn)半熔融態(tài)材料下移，最終將液態(tài)材料擠出在熱床或已成型件的表面，風(fēng)道風(fēng)扇將冷卻風(fēng)通過風(fēng)道吹向熱床或工件成型表面，對其進(jìn)行冷卻使材料固化，完成零件成型，打印機(jī)噴頭組件如圖1噴頭組件結(jié)構(gòu)示意圖所示。

圖1 噴頭組件結(jié)構(gòu)示意圖

FDM打印機(jī)工作過程中，材料形態(tài)對打印效果影響較大，拉絲或者堵頭都會影響打印表面質(zhì)量。拉絲是指打印機(jī)回抽不及時(shí)導(dǎo)致的噴嘴里面的料在行進(jìn)途中漏出來，所謂回抽是指當(dāng)打印從一個對象跳到第二個對象的時(shí)候，由于噴頭持續(xù)加熱，即使送料馬達(dá)沒有推動還是可能會有材料流出，因此機(jī)器會在噴頭準(zhǔn)備跳動時(shí)，將材料往回抽一點(diǎn)點(diǎn)，這種現(xiàn)象叫做回抽。此時(shí)若喉管處材料偏軟則會導(dǎo)致回抽時(shí)材料在喉管內(nèi)上行阻力變大，從而使回抽不暢，出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象；同理，在材料供給時(shí)，此處材料與喉管壁面的下行阻力也會變大，造成材料在喉管內(nèi)堵塞，出現(xiàn)堵頭的現(xiàn)象。故提高噴頭組件散熱效率，保證散熱效果才能實(shí)現(xiàn)材料在散熱片、加熱塊及兩者之間3個位置時(shí)的狀態(tài)分別為固態(tài)、半熔融態(tài)和液態(tài)，從而保證打印質(zhì)量。

1.2 散熱片設(shè)計(jì)

影響散熱片散熱效率的因素有包絡(luò)體積、散熱片底部厚度、鰭片形和是否采用強(qiáng)制對流等[8]。一般情況下，表面積越大散熱效果越好；若散熱片的布局有利于空氣流通，可以提高散熱效果；銅、鋁導(dǎo)熱效率高，是散熱材料的首選。本文設(shè)計(jì)的3種散熱片材料選擇鋁，底層厚度1.5 mm，散熱片高度5 mm，片厚1.7 mm，采用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，主要不同點(diǎn)為散熱片形狀及布局。

方案1為目前應(yīng)用較多的葉片式散熱片，此方案散熱片均為矩形，且平行布置，如圖2a所示。當(dāng)前噴頭組件為風(fēng)扇置于散熱片上方的下吹設(shè)計(jì)，軸流風(fēng)扇有旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，軸的位置風(fēng)不易吹到，故方案2與方案3將風(fēng)扇所對應(yīng)的中心位置留空，為了更好地引導(dǎo)風(fēng)向同時(shí)保證較大的散熱面積，兩方案的葉片采用長短不一且彎曲的形狀，根據(jù)風(fēng)扇出口風(fēng)流的旋渦特性分別采用輻射狀及中心向四周發(fā)散狀布置形式，定義為渦輪式散熱片與川型散熱片，具體如圖2b和2c所示。

圖2 散熱片設(shè)計(jì)方案

1.3 噴頭組件各部件型號

本文所使用的打印機(jī)為實(shí)驗(yàn)室自制打印機(jī)PRT-300，其噴頭組件的主要構(gòu)成及零件參數(shù)如表1零件基本參數(shù)表所示。

表1 零件基本參數(shù)表

2 噴頭組件熱仿真及結(jié)果分析

2.1 熱仿真基本原理

熱量的傳遞形式一般包括熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射3種形式，熱傳導(dǎo)發(fā)生在一個物體內(nèi)或者緊挨著的物體之間，熱對流發(fā)生在有相對運(yùn)動的兩個介質(zhì)之間，熱輻射則是由物體受熱激發(fā)磁場產(chǎn)生的，它不需要依靠介質(zhì)就可以產(chǎn)生[9-10]。熱仿真分為穩(wěn)態(tài)傳熱及瞬態(tài)傳熱仿真兩種形式。如果系統(tǒng)的凈熱流率為零，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于系統(tǒng)的流出熱量時(shí)，則系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)即熱穩(wěn)態(tài)，在熱穩(wěn)態(tài)分析中，任意結(jié)點(diǎn)的溫度不在隨時(shí)間變化；瞬態(tài)傳熱過程是指一個系統(tǒng)加熱或者冷卻的過程，再這個過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件及系統(tǒng)內(nèi)能均隨時(shí)間變化。為了更真實(shí)的模擬不同散熱片結(jié)構(gòu)對噴頭組件散熱效率的影響，本文采用瞬態(tài)傳熱仿真。

ANSYS熱分析依據(jù)的基本原理是能量守恒熱平衡方程[11]，根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡可以表達(dá)為（以矩陣形式表示）

2.2 噴頭熱仿真計(jì)算

利用ANSYS軟件Transient Thermal模塊完成噴頭瞬態(tài)熱仿真。三維幾何模型分別導(dǎo)入后，將各零件按照表1零件基本參數(shù)表中的材料進(jìn)行設(shè)置；網(wǎng)格大小設(shè)置為1 mm，采用自由網(wǎng)格劃分方式，最終3種方案劃分的網(wǎng)格數(shù)目分別為38 693、41 338和34 950；初始溫度設(shè)置為190 ℃，其他載荷及約束如表2 熱仿真載荷及約束參數(shù)表所示。設(shè)置計(jì)算時(shí)間為20 s，階躍時(shí)間為0.1 s，進(jìn)入solution，完成溫度計(jì)熱流密度的計(jì)算。

表2 熱仿真載荷及約束參數(shù)表

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1 溫度仿真結(jié)果分析

溫度云圖如圖3葉片式散熱片溫度云圖、圖4渦輪式散熱片溫度云圖及圖5川型散熱片溫度云圖所示。由圖可知，與喉管相接部分散熱片的溫度三者分別為63.68 ℃、72.04 ℃及45.07 ℃，渦輪式散熱片該部分的面積最小且溫度最低；散熱片與加熱塊之間的喉管區(qū)域溫度自下而上成階梯式遞減，其中葉片式散熱片及川型散熱片溫度分別降低43.59%、43.63%，渦輪式散熱片溫度降低53.55%，故綜上所述，渦輪式散熱片的散熱效果較好。

圖3 葉片式散熱片溫度云圖

圖4 渦輪式散熱片溫度云圖

圖5 川型散熱片溫度云圖

2.3.2 熱流密度仿真分析

熱流密度是指單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積傳遞的熱量，是考察器件或設(shè)備散熱性能的重要指標(biāo)。3種方案的熱流密度云圖分別如圖6葉片式散熱片熱流密度云圖、圖7渦輪式散熱片熱流密度云圖及圖8川型散熱片熱流密度云圖所示。由圖可知，3種形式散熱片熱流密度最大值均發(fā)生在散熱片與加熱塊之間的喉管部分，最大值分別為4.28 W/mm2、4.75 W/mm2和4.02 W/mm2，即渦輪式散熱片散熱性能較好，冷卻效率高。

圖6 葉片式散熱片熱流密度云圖

圖7 渦輪式散熱片熱流密度云圖

圖8 川型散熱片熱流密度云圖

2.3.3 散熱效率分析

噴頭組件平均溫度與時(shí)間關(guān)系如圖9散熱效率圖所示，本次計(jì)算模擬20 s內(nèi)噴頭組件的散熱情況，20 s內(nèi)噴頭組件平均溫度均有所降低，最低值分別達(dá)到70.3 ℃、53 ℃和83.1 ℃，渦輪式散熱片的噴頭組件平均溫度最低，達(dá)到該值所用時(shí)間最短，散熱效率最高。

圖9 散熱效率圖

3 溫度測試及結(jié)果分析

目前主要的測溫方式有接觸式與非接觸式兩種，接觸式測量工具比較簡單、可靠、測量精度高，但受耐高溫材料的限制不能應(yīng)用于很高的溫度測量；非接觸式測量工具是通過熱輻射原理進(jìn)行測量，測溫范圍廣，反應(yīng)速度快，但受物體發(fā)射率、測量距離、煙塵等因素影響，誤差較大。為保證測量精度，本文采用接觸式測量。根據(jù)仿真結(jié)果，對旋渦式散熱片的噴頭組件進(jìn)行溫度場測試，測試儀器為工業(yè)級高精度TM-902C測溫儀。本測試主要針對噴嘴、喉管（加熱塊與散熱片之間部分）上、中、下位置和散熱片（與喉管鏈接部分）共計(jì)5個位置的溫度，具體測試位置及測溫儀如圖10測試位置布置及測溫儀圖所示。為了保證測量的準(zhǔn)確性，每個測試位置沿其圓周方向各取3個測試點(diǎn)，本測試選取其左側(cè)、中間及右側(cè)的中間位置為測試點(diǎn)進(jìn)行溫度測試，每個點(diǎn)需測量3次。測試結(jié)果如表3溫度測試數(shù)據(jù)表所示。

表3 溫度測試數(shù)據(jù)表

圖10 測試位置布置及測溫儀圖

由測量數(shù)據(jù)可知，喉管（中）、喉管（上）和散熱片在右側(cè)測量的溫度值明顯高于左側(cè)及中間兩個位置的溫度，其原因?yàn)楹砉懿⑽床贾眉訜釅K中心位置，右側(cè)留有加熱塊空間較大，故靠近右側(cè)的溫度會略高，由于噴嘴及喉管下（下）位置距離加熱塊比較近，故溫差沒有其他3個位置明顯；由噴嘴至散熱片（與喉管鏈接部分）5個位置自下而上的平均溫度分別為186.6 ℃、142.1 ℃、117.4 ℃、68.8 ℃和44 ℃，測試結(jié)果與仿真結(jié)果不完全相同，但數(shù)據(jù)基本一致。結(jié)果表明，喉管（加熱塊與散熱塊之間）處溫度降低51.6%，采用渦輪式散熱片均有很好的散熱效果，能夠確保打印過程中PLA材料在噴嘴至散熱片之間的材料狀態(tài)，保證打印質(zhì)量。

4 結(jié)語

通過分析3種不同方案的噴頭組件溫度場仿真結(jié)果及渦輪式散熱片噴頭組件溫度測試結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

（1）散熱片的形狀及布局對噴頭組件散熱效果影響較大，對于風(fēng)扇上置的強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，曲面輻射狀布置的散熱片更有利于導(dǎo)風(fēng)，散熱效果較好。

（2）渦輪式散熱片喉管（加熱塊與散熱塊之間）處熱流密度較大，溫度自下而上遞減明顯，喉管處溫度可降低約51.6%，散熱效率高。