一種新型基于FDM成型原理噴頭性能的數(shù)值模擬研究

張海錄

（黑龍江科技大學(xué)工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，哈爾濱 150022）

0 引言

熔融沉積成型技術(shù)是目前市場占有率較高的一種快速成型技術(shù)。其操作簡便，成型材料和打印設(shè)備成本低，故該技術(shù)是3D打印領(lǐng)域使用最廣泛的成型技術(shù)之一[1-2]。熔融沉積成型技術(shù)主要以低熔點(diǎn)熱塑性聚合物為主要原料，如PLA（聚乳酸）、ABS和尼龍等。聚乳酸具有良好的生物降解性和生物相容性，且其打印時(shí)無明顯異味產(chǎn)生，因此在FDM成型工藝中PLA已經(jīng)成為了使用比例最高的一種打印材料[3]。朱黎立等[4]設(shè)計(jì)了一種高效簡易的3D打印機(jī)噴頭冷卻裝置，通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改善了打印材料提前軟化的現(xiàn)象，同時(shí)提高了打印精度。林廣義等[5]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)凹四邊形異形噴嘴，該噴嘴打印出的制品成型精度和表面粗糙度均有很大改善。

大量研究表明，熔融沉積成型技術(shù)中的噴頭是實(shí)現(xiàn)高可靠性和高精度打印的關(guān)鍵部件之一，針對(duì)FDM成型技術(shù)關(guān)鍵部位，噴頭和耗材對(duì)產(chǎn)品的重要影響，本文主要研究以下幾個(gè)方面：1）研究噴頭不同溫度對(duì)PLA耗材融化程度的影響；2）分析噴頭喉管處不同散熱風(fēng)量對(duì)PLA耗材融化程度的影響；3）研究不同喉管散熱結(jié)構(gòu)對(duì)PLA耗材融化程度的影響，從而獲得影響耗材融化程度的理想?yún)?shù)和理想喉管散熱結(jié)構(gòu)，為下一步實(shí)驗(yàn)研究提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 對(duì)傳統(tǒng)噴頭的改良

噴頭作為堆積成形的核心，噴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，直接影響成形件的質(zhì)量，所以噴頭設(shè)計(jì)是FDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

目前，熔融擠壓噴頭大部分是分體結(jié)構(gòu)，由黃銅噴嘴、加熱鋁塊、加熱管等組成，如圖1所示。這種采用分體式結(jié)構(gòu)的噴頭，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；熔化材料容易與黃銅噴嘴內(nèi)壁粘連，造成流通不暢，甚至堵塞；并且采用分體結(jié)構(gòu)，必然在構(gòu)件間存在縫隙，易導(dǎo)致熔化材料溢流。所以針對(duì)傳統(tǒng)噴頭的弊端做出改進(jìn)，將整體噴頭結(jié)構(gòu)采用304號(hào)不銹鋼一體化設(shè)計(jì)，如圖2所示。噴頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示，由D1到D2的錐形過渡圓管和直徑分別為D1和D2的等截面圓形管道組成，其中D1為喉管部分，D2為噴嘴部分。新型噴頭可以實(shí)現(xiàn)對(duì)打印設(shè)備的改良，從而提高打印效率，節(jié)省構(gòu)件成本，簡化整體結(jié)構(gòu)。

圖1 傳統(tǒng)噴頭

圖2 新型噴頭

圖3 噴頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

本文通過ANSYS有限元軟件對(duì)新型噴頭做數(shù)值模擬分析，為下一步實(shí)驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。

2 對(duì)新型噴頭的數(shù)值模擬分析

熔融沉積成型的熱過程模擬屬于非線性熱分析問題，所以需要如下熱傳導(dǎo)微分方程來描述：

式中：ρ為材料密度，kg/m3；c為材料比熱容，J/（kg·K）；kx、ky、kz分別為x、y、z方向的熱傳導(dǎo)系統(tǒng)，W/（m·K）；T為溫度；t為時(shí)間；Q=Q（x，y，z，t），為物體內(nèi)部的熱源密度，W/kg。

這個(gè)熱平衡方程表明，物體傳入的熱量及內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量與物體升溫所需的熱量始終保持平衡。

本文應(yīng)用ANSYS有限元軟件建立了FDM的三維瞬態(tài)溫度場的數(shù)學(xué)模型，通過ANSYS的APDL（參數(shù)化分析語言）來處理分析過程，并求解。新型噴頭采用304不銹鋼，其密度為7.93×10-3g/mm3，導(dǎo)熱系數(shù)為17.45 W/（m·K），比熱容為500 J/（kg·K）。圖4為噴頭的1/4有限元模型，采用ANSYS中的Solid70熱單元進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。對(duì)噴頭設(shè)定初始條件和邊界條件，初始條件為

圖4 1/4噴頭網(wǎng)格劃分

噴頭的散熱主要是通過自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流方式進(jìn)行，其邊界條件為

式中：εθ為實(shí)際物體的有效輻射率；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，約為5.67×10-8W/（m2·K4）；Tsur為空間環(huán)境溫度；Tenv為環(huán)境換熱流體介質(zhì)溫度；h為對(duì)流換熱系數(shù)。

2.1 不同打印溫度對(duì)PLA耗材熔化程度的影響

PLA（聚乳酸）具有較低的熔體強(qiáng)度，打印模型更容易塑形，表面光澤性優(yōu)異，色彩艷麗。PLA具有很好的熱穩(wěn)定性，加工溫度為170～230 ℃，有很好的抗溶劑性，所以分別選取噴頭在175、185、195、205、215 ℃加熱時(shí)，模擬分析噴頭的溫度區(qū)域變化情況，從而間接分析PLA材料的熔化情況，如圖5～圖9所示。其中1、2處的溫度變化作為研究的主要觀察對(duì)象。

圖5 喉管直徑為φ25 mm的噴頭在對(duì)流系數(shù)100 W/（m2·K）、加熱溫度175 ℃時(shí)的溫度分布

圖6 喉管直徑為φ25 mm的噴頭在對(duì)流系數(shù)100 W/（m2·K）、加熱溫度185 ℃時(shí)的溫度分布

圖7 喉管直徑為φ25 mm的噴頭在對(duì)流系數(shù)100 W/（m2·K）、加熱溫度195 ℃時(shí)的溫度分布

圖8 喉管直徑為φ25 mm的噴頭在對(duì)流系數(shù)100 W/（m2·K）、加熱溫度205 ℃時(shí)的溫度分布

圖9 喉管直徑為φ25 mm的噴頭在對(duì)流系數(shù)100 W/（m2·K）、加熱溫度215 ℃時(shí)的溫度分布

2.2 噴頭喉管處不同溫度散熱風(fēng)量對(duì)PLA耗材熔化程度的影響

加熱塊提供熱量使料絲達(dá)到熔融。熔融擠壓快速成形工藝對(duì)溫度有嚴(yán)格要求，噴頭的出絲溫度和喉管處的散熱環(huán)境應(yīng)處于一定的溫度范圍內(nèi)，否則將影響成型質(zhì)量。在此，就喉管處不同溫度的散熱風(fēng)量，在ANSYS分析中通過不同的對(duì)流系數(shù)來表示，分別選取自然風(fēng)對(duì)流系數(shù)為20 W/（m2·K）、中度強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)為100 W/（m2·K）、高度強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)為180 W/（m2·K），模擬其對(duì)喉管溫度的影響，以達(dá)到對(duì)PLA料絲熔化程度的影響，如圖10～圖12所示。

圖10 喉管直徑為φ25 mm的噴頭在對(duì)流系數(shù)100 W/（m2·K）、加熱溫度195 ℃時(shí)的溫度分布

圖11 喉管直徑為φ25 mm的噴頭在對(duì)流系數(shù)180 W/（m2·K）、加熱溫度195 ℃時(shí)的溫度分布

圖12 喉管直徑為φ25 mm的噴頭在對(duì)流系數(shù)20 W/（m2·K）、加熱溫度195 ℃時(shí)的溫度分布

2.3 不同喉管散熱結(jié)構(gòu)對(duì)PLA耗材融化程度的影響

PLA料絲在加熱腔內(nèi)受熱熔融后，在未熔料絲的推動(dòng)下，通過噴頭，擠出極細(xì)絲狀高聚物，以達(dá)到堆積成形。由于噴頭擠出的成品對(duì)成形精度有直接的影響，所以需要對(duì)喉管的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖13～圖15所示。

圖13 喉管直徑為φ18 mm的噴頭在對(duì)流系數(shù)100 W/（m2·K）、加熱溫度195 ℃時(shí)的溫度分布

圖14 喉管直徑為φ22 mm的噴頭在對(duì)流系數(shù)100 W/（m2·K）、加熱溫度195 ℃時(shí)的溫度分布

圖15 喉管直徑為φ25 mm的噴頭在對(duì)流系數(shù)100 W/（m2·K）、加熱溫度195 ℃時(shí)的溫度分布

2.4 模擬結(jié)果與分析

表1～表3是在不同溫度和不同換熱條件、不同內(nèi)孔直徑在如圖5所示1、2標(biāo)注處的溫度變化范圍，由此為擇優(yōu)選取合理的加熱環(huán)境結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)提供理論依據(jù)。

表1 內(nèi)孔直徑φ2.5 mm在不同加熱條件下的1、2處溫度分布情況 ℃

表3 內(nèi)孔直徑φ1.8 mm在不同加熱條件下的1、2處溫度分布情況 ℃

3 結(jié)語

數(shù)值模擬結(jié)果經(jīng)分析表明在噴頭溫度為195 ℃，中度氣體強(qiáng)制對(duì)流和喉管內(nèi)孔直徑為φ25 mm的散熱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的噴頭在上述參數(shù)下具有優(yōu)良的性能，為FDM成型設(shè)備穩(wěn)定可靠的打印工作提供技術(shù)支持。

表2 內(nèi)孔直徑φ2.2 mm在不同加熱條件下的1、2處溫度分布情況 ℃