新型塑料顆粒3D打印機(jī)技術(shù)方案的研究

陳 磊，張繼春，王世博

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），山東 威海 264209）

1 引言

熔融堆積成型技術(shù)（FDM）是從CAD數(shù)據(jù)產(chǎn)生有形實(shí)體最快速的方式，是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的快速成型技術(shù)之一[1]。但是市場(chǎng)中的快速成型機(jī)只能使用直徑固定的絲質(zhì)原料，該種原料的制造成本與技術(shù)要求較高，且目前市場(chǎng)上流行的絲質(zhì)原料種類較為單一，而塑料顆粒因?yàn)閺V泛運(yùn)用于工業(yè)制造，所以種類較多；再者絲質(zhì)原料容易因?yàn)檠趸鵁o(wú)法使用。尤其是FDM類3D打印機(jī)，因?yàn)槠鋵?duì)絲質(zhì)的連續(xù)性和均勻性要求較高，且出于節(jié)約資源，減低打印成本等目的，開發(fā)塑料顆粒3D打印機(jī)十分必要。

螺旋擠壓機(jī)構(gòu)工業(yè)上普遍用于塑料加工，文獻(xiàn)[2]等對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行了詳細(xì)的介紹；螺桿的設(shè)計(jì)及參數(shù)的選擇也給了相應(yīng)的方法；而熔融堆積成型技術(shù)的發(fā)展，給螺旋擠出機(jī)構(gòu)帶來(lái)了新的運(yùn)用場(chǎng)景。針對(duì)螺桿擠出裝置的數(shù)值分析研究較為廣泛和深入；螺桿槽內(nèi)顆粒料的相互作用加上相變因素存在粘性耗散[3]等，過(guò)程是十分復(fù)雜的[4]，在熔融段，文獻(xiàn)[5]最早提出了螺桿腔熔融段數(shù)學(xué)模型，之后Maddock、Klenk等模型相繼出現(xiàn)；在此基礎(chǔ)上文獻(xiàn)[6-7]等對(duì)螺桿槽內(nèi)的熱場(chǎng)、流場(chǎng)等進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)已有的熔融理論進(jìn)行討論，文獻(xiàn)[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估打印誤差并給出建議。

目前絲料型3D打印機(jī)較為常見(jiàn)，其中太爾時(shí)代的桌面級(jí)打印機(jī)采用近端擠出機(jī)構(gòu)，依靠?jī)蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的摩擦力將絲料送往加熱的噴頭[9]。還有Delta并聯(lián)結(jié)構(gòu)的FDM打印機(jī)，該類型的擠出機(jī)構(gòu)是將柱塞式的擠出噴頭中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與加熱模塊分離，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)與嚙合齒輪固定到機(jī)架上，加熱模塊與運(yùn)動(dòng)噴嘴相連[10]。采用螺桿擠出裝置作為打印噴頭，基于螺桿擠出裝置的體積與質(zhì)量較大的考慮，所以將噴頭固定，采用運(yùn)動(dòng)靈活的Delta并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)來(lái)控制工作平臺(tái)完成成型運(yùn)動(dòng)。塑料顆粒從漏斗加入，在螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下進(jìn)入螺桿槽內(nèi)，直至下方的加熱塊腔體內(nèi)，加熱塊依靠?jī)蓚€(gè)加熱棒加熱，當(dāng)溫度達(dá)到塑料顆粒的熔化溫度時(shí)，在喉管和加熱塊構(gòu)成的穩(wěn)壓腔體內(nèi)形成熔融態(tài)塑料，通過(guò)螺桿擠壓作用，將液態(tài)塑料從孔徑約0.5mm的噴頭擠出，下方Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)控制打印機(jī)的成型運(yùn)動(dòng)。

2 漏斗進(jìn)料端的分析

進(jìn)料漏斗的斜面與螺桿軸線所形成的進(jìn)入角度影響著顆粒進(jìn)料的效率，由于塑料顆粒表面光潔度較高，硬度普遍較大；而桌面級(jí)3D打印機(jī)電機(jī)的選擇和輸出功率受限，因此，顆粒進(jìn)入是否順暢嚴(yán)重影響下端熔融料的供給；為此建立塑料顆粒進(jìn)料端DEM模型，監(jiān)測(cè)螺桿進(jìn)料段的質(zhì)量流量，其中依據(jù)進(jìn)入角的大小，分析了進(jìn)入角分別為 40°、65°、90°的圓形漏斗、方形漏斗、側(cè)邊漏斗。

2.1 建模及條件設(shè)置

建立塑料顆粒PLA模型，其基本力學(xué)性質(zhì)[11]，如表1所示。顆粒設(shè)為球型模型，顆粒與顆粒之間、顆粒與壁面之間的相互作用模型選擇Hertz Mindlin模型，其滾動(dòng)阻力選擇力比例，系數(shù)分別設(shè)為0.12和0.15；氣體設(shè)為理想氣體，考慮重力因素，耦合流體和能量，選擇流體邊界擴(kuò)散，溫度設(shè)為室溫。工業(yè)用塑料顆粒的直徑大小約在（3～4）mm，螺桿的槽深與槽寬應(yīng)當(dāng)不小于4mm，噴頭整體尺寸隨著螺桿直徑的增加而增大，所以螺桿的直徑不能過(guò)大。為能夠?qū)︻w粒原料產(chǎn)生較大的推送壓力，應(yīng)當(dāng)選擇螺旋升角較小的螺桿。從市場(chǎng)成品中選擇送料螺桿，其參數(shù)，如表2所示。

表1 塑料顆粒PLA的力學(xué)性質(zhì)Tab.1 Mechanical Properties of PLA Plastic Particles

表2 螺桿主要參數(shù)Tab.2 The Main Parameters of Screw

在噴射器模塊中設(shè)定合適的流量和顆粒的粒徑，運(yùn)行大概15s，噴入合適數(shù)量的顆粒后停止噴射，待所有顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，再啟動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)給料過(guò)程的模擬，設(shè)定螺桿旋轉(zhuǎn)速率分別為0.05rps、0.1rps、0.3rps、0.5rps、0.7rps，并且在螺桿下方建立監(jiān)視平面，檢測(cè)流過(guò)該平面的粒子質(zhì)量流量。其中在轉(zhuǎn)速為0.5rps的情況下運(yùn)行50s后的速度標(biāo)量場(chǎng)，如圖1所示。

圖1 螺桿轉(zhuǎn)速0.5rps下對(duì)稱面的速度標(biāo)量場(chǎng)Fig.1 The Velocity Distribution of the Symmetry Plane at Screw Speed 0.5rps

2.2 模擬結(jié)果分析

監(jiān)測(cè)面的質(zhì)量流量數(shù)據(jù)整理得到，如表3所示。通過(guò)圖表可以直觀的分析各型漏斗的進(jìn)料特性，以及進(jìn)入角對(duì)進(jìn)料效率的影響：通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在相同轉(zhuǎn)速下，不同的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，各型漏斗的進(jìn)料速率不同，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于0.1rps時(shí)，轉(zhuǎn)速相同，不同型漏斗的質(zhì)量流量基本相當(dāng)，在轉(zhuǎn)速為0.1rps情況下，進(jìn)入角為90°的漏斗進(jìn)料量明顯比65°和40°的小，此時(shí)因?yàn)槁輻U轉(zhuǎn)速較低，顆粒自身重力和漏斗斜面對(duì)阻力作用明顯；而當(dāng)轉(zhuǎn)速減小到0.05rps時(shí)，65°進(jìn)入角的方型漏斗質(zhì)量流量高于其他兩種，并且有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)，而在（0.1～0.7）rps之間，進(jìn)入角 65°和 90°對(duì)質(zhì)量流量影響不明顯，但相應(yīng)的圓型漏斗的質(zhì)量流量遠(yuǎn)大于其他兩種類型，并且差距有擴(kuò)大的趨勢(shì)。所以在低速范圍內(nèi)，質(zhì)量流量對(duì)進(jìn)入角不敏感，選擇在65°左右，即方型漏斗較為合理；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于0.1rps時(shí)，考慮選擇圓型漏斗，其特性，如圖2所示。

表3 穩(wěn)定后質(zhì)量流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of Stable Mass Flow

圖2 40°進(jìn)入角時(shí)螺桿輸送顆粒的質(zhì)量流量Fig.2 Mass Flow Rate of Plastic Particles in a 40-Degree Angle

引入一個(gè)評(píng)判指標(biāo)填充率，表示單位體積內(nèi)顆粒所占體積分?jǐn)?shù)，在不考慮顆粒原料相變時(shí)發(fā)生的體積變化的情況下，計(jì)算出0.05rps以上時(shí)圓型漏斗給料，螺槽內(nèi)物料的填充率，如式（1）所示。

式中：A—質(zhì)量流量；n—螺桿轉(zhuǎn)速；B—螺桿槽寬；H—螺桿槽深；

S—螺桿導(dǎo)程；d2—螺桿中徑；ρ—顆粒PLA的密度。

計(jì)算出填充率數(shù)據(jù)，如表4所示。需要說(shuō)明：此處沒(méi)有考慮進(jìn)料段顆粒間的擠壓作用，模型中假設(shè)的下端為自由端，顆粒在即將脫離螺桿處有相對(duì)螺槽內(nèi)表面向下的速度，而脫離螺桿瞬間還有螺桿牽連速度，所以顆粒通過(guò)監(jiān)測(cè)面時(shí)較為分散，但有參考意義，隨著轉(zhuǎn)速升高，填充率也逐漸升高，當(dāng)速度大于0.3rps時(shí)，此時(shí)的填充率升高的趨勢(shì)趨緩，當(dāng)速度逐漸提高時(shí)，漏斗進(jìn)料口由于摩擦使顆粒運(yùn)動(dòng)加劇，影響進(jìn)料效率，所以，螺桿旋轉(zhuǎn)的速率不能過(guò)高，應(yīng)該控制在（0.1～0.7）rps。

表4 填充率計(jì)算數(shù)據(jù)Tab.4 Calculation Data of Filling Rate

3 噴嘴出料端的分析

噴嘴腔體內(nèi)的顆粒料在熱源作用下發(fā)生相變，不同材料熱力性質(zhì)不同，對(duì)于熔點(diǎn)較低的原料，熱的腔體可能導(dǎo)致顆粒在輸送的螺槽通路中發(fā)生熔融粘連，原料既不完全融化也無(wú)法順利被傳送，最終會(huì)導(dǎo)致螺桿通道堵塞無(wú)法繼續(xù)工作。而對(duì)于熔點(diǎn)較高的原料，腔體的溫度無(wú)法使其產(chǎn)生熱變形，在通道中可以預(yù)熱，在到達(dá)噴嘴的位置時(shí)可以很快地被加熱到熔融態(tài)，從而在一定程度上可以提高打印速度。分析傳熱裝置的溫度場(chǎng)分布是很有必要的。

3.1 模型網(wǎng)格劃分

研究采取多面體網(wǎng)格，設(shè)置網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸為3mm，棱柱層厚度相對(duì)尺寸為5%，表面尺寸最小相對(duì)尺寸5%，相對(duì)目標(biāo)尺寸10%，對(duì)傳熱部件的網(wǎng)格劃分基準(zhǔn)設(shè)置相同。擠出腔體的網(wǎng)格數(shù)23萬(wàn)，加熱塊的網(wǎng)格數(shù)15萬(wàn)。

3.2 條件設(shè)置及模擬結(jié)果

擠出結(jié)構(gòu)采用相同的材料鋁（除喉管為不銹鋼外），空間模型三維、時(shí)間模型定常、材料模型固體。設(shè)置兩個(gè)交界面為接觸面，熱阻設(shè)置為2E-6m2k/W，其他面與空氣對(duì)流，熱傳遞系數(shù)為10w/m2K，環(huán)境溫度293K，將加熱棒與熱塊的接觸面設(shè)置為恒溫，監(jiān)控能量標(biāo)準(zhǔn)選為默認(rèn)值1E-4。根據(jù)實(shí)驗(yàn)用顆粒材料的性能，熱源溫度設(shè)置的范圍在（480～540）K，以20K為間隔進(jìn)行溫度場(chǎng)分布的計(jì)算。得出溫度場(chǎng)分布知：在不同熱源溫度條件下，擠出螺桿的末端即連接喉管的上端腔體的溫度大約分布在（400～500）K的范圍內(nèi)。

4 顆粒打印實(shí)驗(yàn)

基于STAR-CCM+的分析結(jié)果，對(duì)不同的顆粒實(shí)驗(yàn)設(shè)定不同的外部條件。在對(duì)PLA、POM、PE等材料進(jìn)行打印試驗(yàn)時(shí)，螺桿末端腔體壁面的溫度達(dá)到材料的融化溫度，為了顆粒材料能順利通過(guò)擠出通道到達(dá)擠出噴嘴，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中給予外部強(qiáng)制冷卻，即開啟安裝的風(fēng)扇；而對(duì)于PP、PC、PA+GF等材料，由溫度場(chǎng)的分布分析，短時(shí)間內(nèi)顆粒在螺桿的末端不會(huì)融化而產(chǎn)生粘連，所以不必設(shè)定外部強(qiáng)制冷卻。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，根據(jù)材料的顆粒大小、粘性不同，取用不同直徑的噴嘴，設(shè)定不同的打印參數(shù)，包括擠出溫度、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、打印速度等一系列相關(guān)參數(shù)，采用控制變量法進(jìn)行不同模型的多次打印實(shí)驗(yàn)，找到合適的參數(shù)組，打印出質(zhì)量良好的模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，如表5所示，部分打印件模型，如圖3所示。打印狀態(tài)根據(jù)打印模型表面質(zhì)量的好壞、打印成功率等來(lái)評(píng)價(jià)。

表5 不同材料打印實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.5 The Print Results of Different Materials

圖3 部分材料打印樣品Fig.3 The Print Samples of Some Materials

在多次實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證下，確定出部分適合3D打印的顆粒原料，并積累了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)。（a）對(duì)于熔融溫度較低、變形率較小的材料打印的成功率較高。（b）由于材料粘性的不同，擠出噴嘴直徑的大小會(huì)影響出絲質(zhì)量。（c）擠出溫度一般需要高于材料的熔融溫度（30～40）℃左右。

5 結(jié)論

（1）參考成型的Delta機(jī)構(gòu)與螺桿注塑機(jī)，結(jié)合打印機(jī)的各大系統(tǒng)，對(duì)顆粒打印機(jī)進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)，重新設(shè)計(jì)擠出機(jī)構(gòu)，在程序的控制下，配合成型運(yùn)動(dòng)來(lái)完成打印，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案可行。（2）顆粒塑料的進(jìn)料效率與螺桿參數(shù)、進(jìn)入角及塑料顆粒本身形狀等有關(guān)，這里討論了在常見(jiàn)塑料顆粒粒徑下，進(jìn)入角對(duì)進(jìn)料效率的影響，對(duì)完成樣機(jī)實(shí)驗(yàn)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。（3）不同塑料顆粒的性質(zhì)不同，裝置的溫度控制需要更加精細(xì)化，溫度場(chǎng)與流道腔內(nèi)流動(dòng)的耦合也是必要的，溫度場(chǎng)模擬保證的樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，同時(shí)為內(nèi)腔的物料狀態(tài)及流動(dòng)情況判斷提供了初步的參考。

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