基于FLIR的3D打印機散熱片溫度場試驗研究

潘世麗，湯淋淋

(1.蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 昆山 215325；2.硅湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 昆山 215300)

0 引言

3D打印是增材制造的主要工藝之一，該技術(shù)將計算機圖形學(xué)、復(fù)雜系統(tǒng)與數(shù)字控制技術(shù)、材料科學(xué)、光機電一體化技術(shù)等先進技術(shù)集于一體，克服了傳統(tǒng)制造工藝的局限性，充分體現(xiàn)出制造的柔性化和高效化。很多專家學(xué)者致力于3D打印技術(shù)的優(yōu)化改進，以提高打印精度以及穩(wěn)定性。目前主要研究方向包括噴頭結(jié)構(gòu)、打印材料、散熱性能以及打印程序等方面。林若波等基于FDM-3D打印噴頭的熱流速度控制，建立3D打印噴頭的熱力學(xué)模型，得出對于ABS打印材料，采用3.5 mm的鋁管作為過渡段喉管，底層散熱片由1 mm加厚至2 mm，散熱效率可提高20%[1]；高善平等進行了四因素三水平正交試驗研究和回歸分析，獲得單尺寸目標(biāo)下的最佳工藝參數(shù)組合及控制因子的顯著程度，并推導(dǎo)出了3種不同要素尺寸的誤差回歸方程[2]；任禮等通過分析FDM型單螺桿擠出式3D打印機噴頭結(jié)構(gòu)快速拆卸及更換的實用性，設(shè)計出可針對不同物料進行螺桿和料筒快速拆卸變更以適應(yīng)相應(yīng)材料物性參數(shù)的新結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)FDM型螺桿擠出式3D打印機對打印材料更廣泛的兼容和更便捷的清潔護理[3]；陳德裕等設(shè)計出一款溫升效率高、結(jié)構(gòu)精簡、投入成本低的3D打印噴頭喉管冷卻裝置[4]；曲興田等采用模糊自適應(yīng)PID控制方法控制打印噴頭和打印平臺加熱床加熱過程，并建立了控制系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真模型[5]。為了更好地分析3D打印機的散熱性能，本文采用FLIR熱成像儀掃描得到3D打印機噴頭散熱片熱量云圖，分析其最優(yōu)的打印參數(shù)，為后續(xù)的仿真研究提供參考。

1 試驗設(shè)計

本文中采用的試驗方式為交叉試驗，主要分析噴頭加熱溫度200 ℃、210 ℃、220 ℃和散熱片風(fēng)扇轉(zhuǎn)速100 r/min、150 r/min、200 r/min、250 r/min這兩類因素的交叉組合下散熱片的熱量分布。排列組合一共有12種，具體如表1所示。在進行試驗之前，需要先將散熱片從中線切開，去除表面的包覆結(jié)構(gòu)，然后將散熱片風(fēng)扇安裝在散熱片旁，安裝距離為5 mm，這樣才能獲得較為明顯的熱量分布云圖[6]。圖1為打印機頭部模型。

表1 不同因素排列組合表

1-噴嘴;2-加熱棒;3-散熱片;4-喉管;5-加熱塊

2 試驗結(jié)果

試驗得到的噴頭加熱溫度為200 ℃時不同轉(zhuǎn)速下打印機散熱片的溫度分布如圖2所示，噴頭加熱溫度為210 ℃時不同轉(zhuǎn)速下打印機散熱片的溫度分布如圖3所示，噴頭加熱溫度為220 ℃時不同轉(zhuǎn)速下打印機散熱片的溫度分布如圖4所示。

圖3 打印機噴頭加熱溫度為210 ℃時不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下散熱片的溫度分布

圖4 打印機噴頭加熱溫度為220 ℃時不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下散熱片的溫度分布

從圖2～圖4中可以看出：當(dāng)加熱溫度確定時，散熱片與室溫之間的溫差隨著風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速增加而降低；當(dāng)轉(zhuǎn)速確定時，散熱片與室溫之間的溫差隨著噴頭加熱溫度的增加而升高。通過FLIR熱成像儀可以看出，散熱片中間軸線上的顏色最亮，沿著軸線向四周擴散，顏色逐漸變暗，這表明中間軸線處的溫度最高，依次向四周遞減。表2為不同因素排列組合下散熱片的溫度差值。從表2中可以看出，溫差最高為15.4 ℃，最低為6.7 ℃，分別為(210 ℃，100 r/min)和(200 ℃，250 r/min)這兩種組合，表明(210 ℃，100 r/min)時散熱效果最差，(200 ℃，250 r/min)時散熱效果最好。從打印質(zhì)量來看，同一溫度下打印會隨著風(fēng)速的增大變得更加順暢。當(dāng)加熱溫度為200 ℃時，打印過程容易出現(xiàn)卡頓，具體見圖5。在打印過程中，打印絲在喉管的上半部分，因為熱量不夠，在該處受溫度影響逐漸變得具有粘連性，導(dǎo)致打印絲在此停留，無法正常打印，從而發(fā)生堵頭的現(xiàn)象。且同一風(fēng)速下打印出絲的模量(粗細(xì)程度)會隨著溫度的升高而增大，原因是溫度升高打印絲在喉管內(nèi)的流動性會大大增強，這一點在加熱溫度200 ℃和220 ℃有較為明顯的比較，分別如圖6和圖7所示。當(dāng)打印設(shè)定溫度為200 ℃時可以適當(dāng)增加打印風(fēng)扇風(fēng)速，這樣能夠有效提升打印效率。同時，進一步佐證了散熱片的散熱效果越差，打印發(fā)生卡頓的幾率越大，可以適當(dāng)增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來解決這一問題。結(jié)合表2中的溫差分布(溫差集中于9.6 ℃～11.4 ℃之間)以及打印質(zhì)量可以初步推斷打印機最優(yōu)參數(shù)設(shè)置為(220 ℃，200 r/min)。

圖7 220 ℃時打印絲模量

表2 不同因素排列組合情況下散熱器溫度差值 ℃

圖5 200 ℃下打印出現(xiàn)卡頓 圖6 200 ℃時打印絲模量

3 結(jié)論

本文對3D打印機散熱片溫度場分布進行了試驗研究，得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)加熱溫度確定時，散熱片與室溫之間的溫差隨著風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速增加而降低，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速確定時，散熱片與室溫之間的溫差隨著噴頭加熱溫度的增加而升高；中間軸線處的溫度最高，依次向四周遞減。

(2)僅從溫度分布來看，打印參數(shù)為(210 ℃，100 r/min)時散熱效果最差，(200 ℃，250 r/min)時散熱效果最好。

(3)結(jié)合溫差分布以及打印質(zhì)量得出打印機最優(yōu)參數(shù)設(shè)置為(220 ℃，200 r/min)。