基于FDM-3D打印機(jī)噴頭系統(tǒng)溫度場分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳為平,黃 捷,禹 杰,陳偉偉

福州大學(xué) 機(jī)電工程實(shí)踐中心,福建 福州 350108

增材制造(AM)技術(shù),又稱3D打印,是一種通過類似于打印機(jī)的數(shù)字化制造設(shè)備,將數(shù)字模型分層離散,將材料不斷疊加,并最終完成所設(shè)計(jì)實(shí)體模型的快速成型制造技術(shù)[1-2]。3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了材料加工方式從減法、等法到加法的轉(zhuǎn)變,徹底顛覆了傳統(tǒng)加工制造業(yè)中減材制造的概念和模式,并展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景[3-5],是“中國制造2025”高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和國家“十四五”重點(diǎn)專項(xiàng)扶持對(duì)象。其中,熔融沉積成型技術(shù)(Fused Deposition Modeling,FDM)是把熱塑性絲材加熱后通過送絲機(jī)構(gòu)從噴頭擠出,按照數(shù)值模型切片的預(yù)設(shè)軌跡將熔融絲材選擇性地層層堆疊在工作平臺(tái)上從而形成部件結(jié)構(gòu)的過程。基于FDM-3D打印機(jī)因其相對(duì)低廉的價(jià)值,能夠快速制造及展示模型等優(yōu)點(diǎn),在3D打印市場中占有很大的比例,且已被廣泛應(yīng)用于高校日常教學(xué)、科研及工程實(shí)踐等活動(dòng)之中,但其在使用過程中常出現(xiàn)噴頭系統(tǒng)堵絲等問題,從而嚴(yán)重影響加工質(zhì)量和使用體驗(yàn)[6-7]。

針對(duì)噴頭系統(tǒng)堵絲等問題,最直觀的解決方案就是對(duì)FDM-3D打印機(jī)的噴頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。近年來,國內(nèi)外諸多學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了研究分析,文獻(xiàn)[8]對(duì)噴嘴系統(tǒng)在應(yīng)力作用下的失效問題進(jìn)行研究分析,并給出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化;文獻(xiàn)[9]提出導(dǎo)致噴頭堵絲的主要原因在于導(dǎo)絲管中的熱量不能及時(shí)傳導(dǎo)出去,設(shè)計(jì)出噴頭水冷裝置并利用Fluent軟件進(jìn)行仿真分析。文獻(xiàn)[10]提出一種基于物理的動(dòng)態(tài)模型,適用于監(jiān)測 FDM -3D打印機(jī)中的噴嘴堵塞問題。文獻(xiàn)[11]針對(duì)噴頭溫度場分布不均導(dǎo)致的堵塞和物料供給不通暢,提出在原有噴頭結(jié)構(gòu)上采用風(fēng)扇對(duì)噴頭關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行集中散熱,并進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證。

上述文獻(xiàn)主要從噴頭局部結(jié)構(gòu)分析對(duì)打印機(jī)散熱問題進(jìn)行大量研究分析,而對(duì)噴頭系統(tǒng)整體優(yōu)化分析則較少。本文利用三維建模軟件SolidWorks建立FDM-3D打印機(jī)噴頭系統(tǒng)的三維仿真模型,確定符合高精度和高穩(wěn)定性要求的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),利用有限元分析軟件ANSYS確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的不同變量對(duì)材料成型的影響,進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計(jì),以達(dá)到減小噴頭系統(tǒng)堵絲的概率,以及出現(xiàn)堵絲時(shí)快速解決堵絲問題,從而提高FDM-3D打印機(jī)的工作穩(wěn)定性。

1 FDM-3D打印機(jī)噴頭系統(tǒng)分析

在打印成型過程中,FDM-3D打印機(jī)的噴嘴孔徑的合理選擇是要根據(jù)所設(shè)計(jì)作品的精度要求和成型尺寸來共同決定的。趙弘等研究了入口直徑、出口直徑、收縮角和筒壁長對(duì)圓錐形3D 打印裝置噴嘴噴射性能的影響,結(jié)果表明:出口直徑對(duì)噴嘴出口速度的影響最大[12]。丁驍垚等利用正交試驗(yàn)及ANSYS軟件研究了噴頭關(guān)鍵尺寸對(duì)擠出速度的影響規(guī)律,結(jié)果表明:噴嘴直徑大小是最主要的影響參數(shù)[13]。目前,3D打印機(jī)常見的噴嘴尺寸設(shè)計(jì)范圍為0.3～1.0 mm。當(dāng)噴嘴的孔徑較小時(shí),送絲機(jī)構(gòu)擠壓出來的熱塑性材料就較細(xì),這樣就可以更好的反映出作品的細(xì)節(jié),也就是成型精度較高;如果噴嘴的孔徑較大,擠壓出來的熱塑性材料就較粗,則無法準(zhǔn)確反映作品細(xì)節(jié),打印成型精度就較差。因此,從提高成型精度、加工效率以及所設(shè)計(jì)作品的結(jié)構(gòu)性能等方面綜合考慮,0.3 mm的噴嘴孔徑被確定為本文設(shè)計(jì)和模擬仿真的研究對(duì)象[7]。

FDM-3D打印機(jī)的打印耗材通常為熱塑性材料,其中較為常用的有:工程塑料,如ABS、PLA等,或者是一些硬質(zhì)材料,這些熱塑性材料在打印成型后通常具有良好的平整度和形狀精度以及一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本文以ABS工程塑料為耗材,來研究打印過程中噴頭系統(tǒng)的溫度場變化。FDM-3D打印機(jī)融化ABS材料的熔融溫度處于217～230 ℃之間[14],噴頭系統(tǒng)的溫度不管是太高還是太低,都無法保證材料的打印質(zhì)量。當(dāng)噴頭系統(tǒng)溫度過低時(shí),成型作品在打印過程中可以明顯看到其層片與層片之間,絲材與絲材之間的絲線分層輪廓,這時(shí)成型物體強(qiáng)度不是很高,容易出現(xiàn)斷裂等缺陷。當(dāng)噴頭系統(tǒng)溫度過高時(shí),則容易導(dǎo)致熱塑性材料的過多融化,在送絲機(jī)構(gòu)的擠壓作用下,極易產(chǎn)生噴嘴堵塞問題,從而影響3D打印機(jī)的正常打印。

針對(duì)FDM-3D打印機(jī)噴頭系統(tǒng)存在的問題,采用SolidWorks三維建模軟件對(duì)打印機(jī)平臺(tái)的噴頭系統(tǒng)進(jìn)行三維建模,構(gòu)成要素包括噴嘴、喉管、散熱片、加熱塊、線材導(dǎo)入模塊、電機(jī)和風(fēng)扇等,如圖1所示。所建立的噴頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的三維模型如圖2所示。在ANSYS Workbench中進(jìn)行熱穩(wěn)態(tài)分析的模塊為Steady-State Thermal。導(dǎo)入完后的模型,在進(jìn)行Mesh網(wǎng)格劃分時(shí),采用自適應(yīng)網(wǎng)格對(duì)加熱塊及其裝配體進(jìn)行局部網(wǎng)格劃分,Relevance Center(關(guān)聯(lián)中心)選擇Fine,Smoothing(平滑度)選擇High,Span Angle Center(跨度角中心)選擇Fine,劃分的網(wǎng)格數(shù)量為46 832,其噴頭系統(tǒng)網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

2 建模與仿真

FDM-3D打印機(jī)熱量傳遞方式主要為熱傳導(dǎo)。本文利用ANSYS軟件對(duì)噴頭系統(tǒng)進(jìn)行溫度場模擬仿真,通過改變FDM-3D打印機(jī)噴頭系統(tǒng)中喉管材料、散熱片及風(fēng)扇對(duì)流等因素,分析不同條件對(duì)溫度場分布的影響情況,對(duì)比并求解出最優(yōu)的噴頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.1 材料特性對(duì)噴頭系統(tǒng)溫度場的影響

在噴頭系統(tǒng)的材料選擇上,初選加熱塊材料為鋁合金,其質(zhì)量較輕,傳熱效果較好,熱傳導(dǎo)系數(shù)為156 W/(m2·℃)。喉管的材料選擇首先考慮與加熱塊的材料一致。噴嘴部分則選用導(dǎo)熱性能更好的黃銅。

表1 常見流體對(duì)流系數(shù)

噴頭系統(tǒng)的熱源和約束條件設(shè)置如圖4(a)和圖4(b)所示,將熱電阻的溫度值設(shè)定在230 ℃,并保持恒溫,環(huán)境溫度則設(shè)定在22 ℃。由于噴嘴、喉管處于空氣環(huán)境中,則其熱對(duì)流系數(shù)可以等同于空氣的自然對(duì)流系數(shù),表1所示為常見流體對(duì)流系數(shù),取空氣自然對(duì)流系數(shù)為1.24 W/(m2·℃)[7]。

(a)熱源條件設(shè)置 (b)約束條件設(shè)置

根據(jù)設(shè)置的邊界條件,通過ANSYS Workbench中穩(wěn)態(tài)熱分析模塊Steady-State Thermal進(jìn)行相應(yīng)求解,其噴頭系統(tǒng)的溫度場分布云圖如圖5所示。

圖5 溫度場分布云圖(鋁質(zhì),未加散熱片)

從圖5可知,加熱塊及其噴嘴部分的溫度都在229.72～230 ℃,溫度場分布一致;而喉管與噴嘴連接處的最高溫度為229.72 ℃,頂端最低溫度為227.44 ℃,表現(xiàn)出一定的溫度分布梯度,但溫度區(qū)間較小,僅2.28 ℃。且鋁質(zhì)喉管的整體溫度分布完全處于熱塑性材料熔融溫度217～230 ℃的取值范圍之中,這將導(dǎo)致熱塑性材料一進(jìn)入喉管便會(huì)因?yàn)闇囟瘸^熔點(diǎn)而處于熔融狀態(tài),使之附著在喉管內(nèi)部,增大了喉管中絲材送料的阻力,從而形成斷絲現(xiàn)象,或由于擠出來不及而在喉管內(nèi)形成堵絲現(xiàn)象。導(dǎo)致喉管整體溫度過高的原因是其采用了熱導(dǎo)率較高的鋁合金材料,因此傳導(dǎo)熱量的效率高。

綜述所述,要合理控制FDM-3D打印機(jī)噴頭系統(tǒng)中喉管的溫度場分布,最主要的是為喉管選擇合適的材料?？紤]到在3D打印機(jī)使用過程中喉管需要具備一定的力學(xué)性能和耐熱性能,因此優(yōu)先在金屬材料中選擇,不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)15.1 W/(m·℃)要遠(yuǎn)低于銅的導(dǎo)熱系數(shù)381 W/(m·℃)和鋁的導(dǎo)熱系數(shù)218 W/(m·℃),同時(shí)又能滿足強(qiáng)度和耐熱性等指標(biāo),所以不銹鋼作為喉管材料被用來進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn),以進(jìn)一步優(yōu)化噴頭系統(tǒng)。

圖6所示為在相同實(shí)驗(yàn)條件下,采用不銹鋼喉管的噴頭系統(tǒng)的溫度場分布云圖。從圖6可知,加熱塊及其噴嘴部分的溫度都在227.18～230 ℃,與采用鋁質(zhì)喉管時(shí)的溫度分布幾乎一致;喉管與噴嘴連接處的最高溫度為227.18 ℃,頂端最低溫度為204.58 ℃,表現(xiàn)出較為明顯的溫度分布梯度,兩端的溫度差為22.6 ℃。且不銹鋼喉管的最低溫度相比于鋁質(zhì)喉管降幅較大,達(dá)22.86 ℃。因此,選擇合適的喉管材料一定程度上能控制喉管的溫度分布,使熱塑性材料在進(jìn)入喉管時(shí)能保持一定的剛度,到喉管下部時(shí)以熔融狀態(tài)被有序擠出打印,有利于保證打印的可靠性。

2.2 散熱片對(duì)噴頭系統(tǒng)溫度場的影響

由于FDM-3D打印機(jī)尺寸的限制,其散熱裝置尺寸不宜過大,因此選擇圓形散熱片堆疊而成。每個(gè)散熱片設(shè)計(jì)為直徑30 mm,厚度1.5 mm,初步選用4片散熱片堆砌進(jìn)行散熱。鋁質(zhì)材料質(zhì)量較輕,導(dǎo)熱系數(shù)高,因此可選擇鋁材作為散熱片材料。圖7所示為含散熱片的噴頭系統(tǒng)裝配圖。

圖8所示為加入散熱片結(jié)構(gòu)的噴頭系統(tǒng)溫度場分布云圖。在裝配上散熱片后噴頭系統(tǒng)中喉管的溫度相比之前有了明顯下降,加熱塊及其噴嘴部分的溫度都在221.76～230 ℃,處于熱塑性材料的熔融溫度范圍之內(nèi);而喉管與噴嘴連接處的最高溫度為221.76 ℃,頂端最低溫度為114.65 ℃,表現(xiàn)出明顯的溫度分布梯度,兩端的最大溫度差為107.11 ℃。且最低溫度比加散熱片前的喉管最低溫度的降低了89.93 ℃?？梢?加入散熱片能大幅度降低喉管的溫度,能有效改善熱塑性絲材因過早熔融而可能導(dǎo)致的喉管堵塞等問題。

圖7 噴頭系統(tǒng)裝配圖(加散熱片)

2.3 風(fēng)扇對(duì)流對(duì)噴頭系統(tǒng)溫度場的影響

本文利用ANSYS ICEPAK軟件的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)來分析由于風(fēng)扇帶來的強(qiáng)迫對(duì)流對(duì)噴頭系統(tǒng)溫度場的影響。ANSYS ICEPAK軟件能夠處理非常復(fù)雜的圓柱、球形等其他異形CAD模型,由于可以劃分HD網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格完全貼體,熱仿真的準(zhǔn)確高。在模型導(dǎo)入時(shí),利用ANSYS DesignModeler來進(jìn)行全參數(shù)化建模,考慮到FDM-3D打印機(jī)噴頭系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的不規(guī)則性,因此在模型導(dǎo)入時(shí)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚?其中IcePak Simplify選擇Level 3,盡可能保留模型的特征,如圖9所示。

圖9 ICEPAK中噴頭系統(tǒng)模型

在邊界條件設(shè)置方面,采用穩(wěn)定的熱源,對(duì)安裝在加熱塊中的熱電阻施加一個(gè)恒定溫度,為熱塑性材料熔點(diǎn)230 ℃。將Cabinet邊界屬性設(shè)置成opening,以得到最真實(shí)的仿真效果。在X-Y平面上設(shè)置一個(gè)外徑Radius=40 mm、內(nèi)徑Int Radius=20 mm的圓形風(fēng)扇模型,風(fēng)扇的風(fēng)量值設(shè)定為3.25 CFM,環(huán)境的溫度設(shè)定為22 ℃。

在模型網(wǎng)格劃分方面,因?yàn)镕DM-3D打印機(jī)的噴頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,因此采用六面體占優(yōu)網(wǎng)格Mesher-HD,同時(shí)進(jìn)行均勻化網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置,并使用Multi-level多級(jí)網(wǎng)格對(duì)非連續(xù)性區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中,噴嘴、加熱鋁塊、不銹鋼喉管的Multi-level網(wǎng)格等級(jí)為3級(jí),其余網(wǎng)格等級(jí)都為2級(jí)。網(wǎng)格最大尺寸為計(jì)算區(qū)域Cabinet的1/20,其網(wǎng)格單元數(shù)為343 847。

模擬仿真時(shí),對(duì)模型進(jìn)行溫度檢測點(diǎn)穩(wěn)定性分析,如圖10所示。當(dāng)?shù)螖?shù)大于100次時(shí),監(jiān)測點(diǎn)(喉管中心點(diǎn))的溫度趨于穩(wěn)定,則完成迭代。

圖11和圖12所示分別為FDM-3D打印機(jī)噴頭系統(tǒng)的空氣流速分布矢量圖和溫度場分布云圖。

圖11 空氣流速矢量圖

從圖11中可以看出,風(fēng)流在風(fēng)扇出口處的速度最大,且由于在風(fēng)扇中心處沒有風(fēng)的進(jìn)入,因此在該處會(huì)形成回流。觀察散熱片,可以得出風(fēng)流流向與散熱片成一定夾角,又由于散熱片之間的間距狹小,風(fēng)流大多被散熱片阻礙而不能抵達(dá)喉管。從圖12中可以看到,喉管上的最低溫度是101.682 ℃。比未加入風(fēng)扇時(shí)的喉管最低溫度114.65 ℃下降了12.968 ℃。

綜上所述,風(fēng)扇的加入的確有利益喉管的散熱,但也不難發(fā)現(xiàn)如果風(fēng)扇位置不恰當(dāng),可能會(huì)導(dǎo)致散熱效果的不佳。因此,在風(fēng)扇出風(fēng)口加入引流板,風(fēng)流能通過引流板更多的導(dǎo)流至散熱片,從而流至喉管,能有效的增強(qiáng)散熱效果。

3 結(jié)論

通過研究3D打印機(jī)的技術(shù)原理和發(fā)展現(xiàn)狀,本文針對(duì)FDM-3D打印機(jī)在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的噴頭堵絲等問題,利用SolidWorks軟件和ANSYS軟件對(duì)FDM-3D打印機(jī)的噴頭系統(tǒng)進(jìn)行三維建模與有限元仿真,分析了其喉管、散熱片、加熱塊以及噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與溫度場分布情況,并提出噴頭系統(tǒng)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1)采用不同喉管材料進(jìn)行單一變量的對(duì)照實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:選擇合適的喉管材料對(duì)控制其溫度場分布具有重要影響,選用導(dǎo)熱系數(shù)較低的不銹鋼材料能有效降低喉管溫度,其最低溫度相比于鋁質(zhì)喉管降幅達(dá)22.86 ℃。

2)對(duì)散熱裝置中的圓形散熱片進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元仿真分析,結(jié)果表明:散熱片能大幅度降低喉管的溫度,未加散熱片時(shí)喉管最低溫度為204.58 ℃,加入后喉管最低溫度為114.65 ℃,降幅達(dá)89.93 ℃。同時(shí)圓形散熱片的散熱效果受到包括散熱片厚度、數(shù)量及相鄰散熱片間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)和空間布局的影響。

3)基于強(qiáng)制對(duì)流散熱的原理,分析了噴頭系統(tǒng)在強(qiáng)制對(duì)流環(huán)境下的溫度場與速度場的分布情況,結(jié)果表明:風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻對(duì)喉管的溫度控制效果比未添加強(qiáng)制冷卻時(shí)的溫度下降12.968 ℃,能夠較大幅度地緩解熱塑性絲材因提前熔融而引起的喉管堵塞等問題。并在此研究的基礎(chǔ)上,提出了通風(fēng)管道的設(shè)計(jì),以防止氣流的擴(kuò)散,提高冷卻效果。