王 君，陳紅杰，龔雅靜，汪 泉,任 軍

(湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430068)

1001-2265(2017)10-0157-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.10.038

2017-07-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405140)；湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2015CFA112)和湖北省教育廳優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(T201505)聯(lián)合資助

王君(1977—)，男，湖北蘄春人，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)學(xué)及機(jī)器人技術(shù)，(E-mail)junwang@mail.hbut.edu.cn。

3D打印機(jī)噴頭組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

王 君，陳紅杰，龔雅靜，汪 泉,任 軍

(湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430068)

針對3D打印機(jī)噴頭組件的打印精度低和表面粗糙、安裝不便、噴頭易堵塞等問題，建立噴頭組件裝配模型，分析其模型特征。并結(jié)合傅里葉熱傳導(dǎo)定律，利用ANSYS workbench對噴頭組件進(jìn)行熱力學(xué)分析，經(jīng)仿真分析和實(shí)踐應(yīng)用，對打印頭組件和鐵氟龍管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后將原始噴頭組件和改進(jìn)后的噴頭組件進(jìn)行比較，得到改善后的打印機(jī)噴頭堵塞頻次明顯降低，流暢度更好，打印件表面質(zhì)量也得到了提高，主要散熱部件自身散熱效率至少提高8.17%，為3D打印機(jī)的進(jìn)一步推廣和發(fā)展提供了參考。

3D打印機(jī)；噴頭組件；溫度場；鐵氟龍管

0 引言

3D打印技術(shù)，又稱為增材制造技術(shù)，是一種通過逐層打印來構(gòu)造物體的技術(shù)[1-2]。3D打印技術(shù)把快速成形與傳統(tǒng)制造技術(shù)完美結(jié)合，其打印速度快，成型精度高、無污染等特點(diǎn)，使3D打印技術(shù)在航空航天、國防建設(shè)、醫(yī)療設(shè)備和教育行業(yè)等都得到了廣泛應(yīng)用。研究打印噴頭組件的結(jié)構(gòu)，是提高3D打印技術(shù)的打印精度和打印件質(zhì)量的重要指標(biāo)。到目前為止，國內(nèi)外很多學(xué)者就3D打印機(jī)噴頭和打印件質(zhì)量的問題進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決方案。Mackenzie M B等[3]開展了對3D打印機(jī)噴嘴的失效分析，最終確定了故障的位置在頭部的噴嘴和螺紋部分的分離，增加了冒口應(yīng)力，使在這一點(diǎn)處的氫氧脆化加劇，并最終得出噴嘴合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇；王利等[4]利用ANSYS對噴頭進(jìn)行了熱力場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬仿真分析，得出控制好溫度、使用合適的材料、正確的操作以及對噴頭的日常維護(hù)和清理，能夠提高試件打印表面質(zhì)量和精度，并減少了噴頭堵塞的頻次；汪鐵豐等[5]針對FDM打印設(shè)備材料擠出不穩(wěn)定等問題，進(jìn)行相關(guān)研究，最終在有限元傳熱分析的基礎(chǔ)上結(jié)合正交試驗(yàn)分析對噴頭裝置中自散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，確定了散熱片直徑和高度的最合理化尺寸；Wang Y等[6]針對高精度噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃，利用CAD和CFD對噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了嚴(yán)密的分析，并最終提出了有效的噴嘴的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方案。上述很多研究者主要針對了對打印噴頭和噴頭材料的設(shè)計(jì)和研究，較少涉及到對3D打印頭組件結(jié)構(gòu)和鐵氟龍管進(jìn)行熱力學(xué)分析，本文旨在利用傅里葉傳熱定律先對打印噴頭組件進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析，并結(jié)合打印機(jī)的工作現(xiàn)象找到噴頭堵塞點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)堵塞情況主要集中在鐵氟龍管處，再單獨(dú)對鐵氟龍管進(jìn)行熱力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)和仿真找出其設(shè)計(jì)中的不足并改進(jìn)，最后再對打印噴頭組件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，使3D打印技術(shù)能更好更快的得以發(fā)展和普及[7]。

1 噴頭熱力學(xué)原理分析

熱學(xué)是物理場中常見的一種現(xiàn)象，在工程分析中，熱學(xué)包括三種基本傳熱方式：熱傳導(dǎo)，熱對流和熱輻射[8]。因3D打印噴頭最外部常常會涂抹一層隔熱層，對熱輻射形成了一定的阻礙，所以熱輻射量對打印噴頭的影響很小，忽略對熱輻射的研究；對流是指溫度不同的各個部分之間發(fā)生相對運(yùn)動所引起的熱量傳遞方式，該文主要是研究結(jié)構(gòu)之間的熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)描述的是物體內(nèi)部存在的溫度差，熱量從高溫部分傳遞到低溫部分；不同溫度的物體相接觸時，熱量從高溫物體傳遞到低溫物體[9]。

熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律：

(1)

(2)

式中，Φ是熱流速率，單位W；A是等溫表面的面積m2；q是熱流密度，單位為W/m2；λ是導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m· ℃)，t是溫度，n是溫度分布圖中的法向方向，負(fù)號表示溫度流動方向，gradt為溫度梯度。

其中 ：

(3)

溫度梯度在直角坐標(biāo)系中的表達(dá)式為：

(4)

得出傅立葉定律在直角坐標(biāo)系中的分量：

(5)

單層平面壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo)：

設(shè)一單層厚度為h，平面內(nèi)溫度沿x軸方向變化，在穩(wěn)定導(dǎo)熱時，導(dǎo)熱速率Φ不隨時間變化,傳熱面積A與導(dǎo)熱系數(shù)λ是常量：

(6)

將上式積分，當(dāng)x=0,t=t1；x=h,t=t2積分結(jié)果為：

(7)

若改寫成速率方程一般形式為：

(8)

上式說明，單層平面導(dǎo)熱率Φ與溫度差Δt和導(dǎo)熱面積A成正比，與導(dǎo)熱熱阻r成反比。

推廣到n層平面熱傳導(dǎo)時：

(9)

2 噴頭組件仿真分析

在ANSYS Workbench中進(jìn)行熱力學(xué)傳導(dǎo)的分析。分析過程中運(yùn)用的主要材料包括：鋁合金，銅合金，不銹鋼，如表1所示，在環(huán)境溫度為22 ℃時各材料基本參數(shù)。針對3D打印機(jī)工作的特點(diǎn)和環(huán)境，我們選擇PLA材料進(jìn)行打印，這種材料的打印溫度為170℃～230℃，沒有刺激性氣味，放在打印平臺上打印不會收縮，特別適合在公共場所做打印，且不會造成任何環(huán)境的污染。又因加熱溫度過高PLA材料易碳化，溫度過低工作流暢性能不好，所以選擇熱阻溫度為210 ℃，邊界環(huán)境溫度為22 ℃，傳熱方式為接觸物體之間的熱傳導(dǎo)[10]。如圖1所示，為3D打印機(jī)噴頭組件的模型視圖，組件是利用魚眼吊臺上的六個通孔和U型鋁塊利用螺栓連接而成，再把魚眼吊臺與三組并聯(lián)桿連接，分別由三個步進(jìn)電機(jī)分別控制打印頭在X、Y、Z三個方向移動，實(shí)現(xiàn)打印頭的水平移動與上下移動。

表1 材料參數(shù)表

圖1是噴頭組件模型；圖2是噴頭組件溫度分布云圖；圖3是鐵氟龍管的溫度分布云圖。結(jié)合圖1和圖3可知，聚四氟乙烯耐高溫喉管通過擠出機(jī)經(jīng)過連桿接頭，最后到鐵氟龍管的K1點(diǎn)處，最終PLA材料從聚四氟乙烯耐高溫喉管中通過鐵氟龍管再流入加熱塊從噴嘴中擠出，因塑料喉管只能到K1點(diǎn)處，且是耐高溫材料，對溫度傳導(dǎo)的影響甚微，因此只需要對鐵氟龍管上K1、K2、K3的溫度進(jìn)行熱分析。

圖1 噴頭組件模型

圖2 噴頭組件溫度分布

圖3 鐵氟龍管溫度分布

圖4是3D打印機(jī)噴頭組件熔料簡圖，由圖4知，PLA料在加熱塊中加熱到熔融狀態(tài)，擠出機(jī)把材料繼續(xù)往前擠出，讓液態(tài)的熔料從噴嘴中擠出，由于塑料喉管只能進(jìn)入到散熱器中的K1點(diǎn)處，此時的塑料喉管與鐵氟龍管在K1點(diǎn)處必然存在間隙，所以當(dāng)材料達(dá)到熔融狀態(tài)，而上端的絲料還在往下繼續(xù)擠出時，液態(tài)的PLA材料不僅會從噴嘴里擠出，而且還會在塑料喉管和鐵氟龍管之間的間隙里倒流，如圖中的陰影區(qū)域。當(dāng)熔料倒流到K1點(diǎn)處時，熔融的材料與喉管之間的摩擦力增大，且受外部散熱裝置的影響，材料會在K1處冷卻的過程中流速降低直至完全堵塞打印噴頭；又流道的距離也直接影響著熔融材料在管道中的速度，熔材在管道中所造成的阻力是要極力避免的，為了避免因驅(qū)動力不足造成噴頭堵塞，所以應(yīng)盡量的縮短流體在流道中的距離來提高熔材的流速，在設(shè)計(jì)時盡可能的讓材料在進(jìn)入加熱塊時才開始熔化。

圖4 噴頭組件熔料簡圖

3 噴頭組件優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 鐵氟龍管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上述情況，由于K1點(diǎn)處面積銳減，可能造成熔料倒流而堵塞打印噴頭的現(xiàn)象。針對該情況對鐵氟龍管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用公式(8)導(dǎo)熱面積A與熱導(dǎo)率Φ成正比，即減小鐵氟龍管在K1以下的導(dǎo)熱面積即可減小熱流速率Φ，增加熔料在流到中的驅(qū)動力。在保證流速的前提下加大K1點(diǎn)處鐵氟龍管的通孔面積，分別取孔的直徑為2.5mm，3mm，3.5mm，4mm,4.5mm,5mm。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在K1、K2、K3鐵氟龍管的溫度均有所降低，發(fā)現(xiàn)直徑取2.5mm，3mm，3.5mm時依然存在著熔料倒流堵塞在K1點(diǎn)處，取4mm，4.5mm，5mm時堵塞情況大大降低，但取4.5mm，5mm時耐高溫喉管與鐵氟龍管之間存在間隙，容易形成堵塞，但通孔直徑為4mm時整個鐵氟龍管通孔直徑均為4mm且與耐高溫喉管形成過盈配合，如圖5所示，塑料喉管可以完全插入到加熱塊中，不僅減少了K1以上鐵氟龍管和散熱器溫度增加了有效驅(qū)動力，而且排除了在K1點(diǎn)處的堵頭點(diǎn)。

圖5 優(yōu)化后噴頭組件視圖

3.2 打印接頭和散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于3D打印機(jī)的打印頭組件需要利用魚眼吊臺和六根并聯(lián)臂連接，但原有噴頭組件設(shè)計(jì)是在狹小的空間支架中通過多組螺栓把U型鋁塊和噴頭組件連接在魚眼吊臺上，最終形成3組并聯(lián)臂，大大增加了安裝難度，降低了工作效率，同時大量的機(jī)械安裝必然會造成精度的降低。利用圖5中最上端的過度接頭，通過螺母片把打印接頭和魚眼吊臺通過互鎖連接，形成中心定位，不僅安裝快捷方便，而且定位精度高，裝卸方便；如圖1，由于散熱器和鐵氟龍管結(jié)合處內(nèi)孔直徑統(tǒng)一為6mm，耐高溫聚四氟乙烯喉管插入其中不僅阻力大，安裝過程麻煩，而且在發(fā)生噴頭堵塞情況時，必須要把整根耐高溫管拔出，甚至需要拆掉整個噴頭組件，造成裝卸料的極大不便且會一次次的增大打印過程中的機(jī)械誤差，降低了打印的精度。由圖5中M點(diǎn)所示，減小散熱器上端孔的直徑到2mm，可以把耐高溫管完全固定在散熱器內(nèi)，在發(fā)生堵頭情況時，便于排除堵塞材料或更換耐高溫喉管，提高了工作效率，降低了堵頭情況。

3.3 打印頭組件整體熱分析

利用Solidworks按上述要求重新建模后，把耐高溫喉管裝配進(jìn)散熱器中，如圖5所示。選擇耐高溫喉管的材料為聚四氟乙烯，熱傳導(dǎo)率是0.21W/(m℃),對模型進(jìn)行熱力學(xué)分析，圖6為整體優(yōu)化后噴頭組件溫度分布圖，圖7優(yōu)化后鐵氟龍管溫度分布云圖。

圖6 優(yōu)化后組件溫度分布

圖7 優(yōu)化后鐵氟龍管溫度云圖

因?yàn)閮?yōu)化后的PLA材料是從包覆在鐵氟龍管中的耐高溫喉管里擠出，所以在分析時著重分析耐高溫喉管中K1，K2，K3點(diǎn)的溫度，如圖8所示為耐高溫喉管的溫度分布云圖，并測得優(yōu)化后耐高溫喉管中的K1，K2,K3點(diǎn)的溫度，如表2所示。

圖8 耐高溫喉管溫度云圖

表2 優(yōu)化前后溫度分布表

由表2可知，優(yōu)化后的打印頭組件中，散熱器的最高溫度和最低溫度分別降低了8.17%和46.64%，鐵氟龍管的最高溫度和最低溫度分別降低了0.69%和32.15%，K1點(diǎn)處溫度降低了23.62%，K2點(diǎn)處溫度降低了20.53%，K3點(diǎn)處溫度降低了1.2%。

表3 實(shí)際測量溫度分布表

由表3可知，實(shí)際測得打印噴頭組件中，散熱器的最高溫度和最低溫度分別降低了13.65%和39.58%，K1點(diǎn)處溫度降低了23.58%，K2點(diǎn)處溫度降低了28.14%，K3點(diǎn)處溫度降低了3.09%。由于環(huán)境因素和人為因素，實(shí)際值和理論值存在一定偏差，但趨勢是一致的，即改善后的噴頭組件自身的散熱能力明顯增強(qiáng)，溫度均有不同程度的降低，但在K3點(diǎn)時溫度基本不變，即在材料進(jìn)入加熱塊后材料成熔融態(tài)，縮短了材料在喉管內(nèi)的行程，減小了材料在擠出過程中不必要的摩擦阻力，同時增大了材料在耐高溫喉管內(nèi)的驅(qū)動力，最終增加了材料擠出時的順暢度，增加了打印件的表面質(zhì)量。

3.4 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后噴頭組件

圖9所示，為改進(jìn)后的3D打印機(jī)噴頭組件打印實(shí)物圖。魚眼吊臺上端即為改進(jìn)后用螺母片連接的過度接頭，下端是優(yōu)化后的散熱器，散熱器內(nèi)部為鐵氟龍管，結(jié)構(gòu)更簡單且定位精度更高。經(jīng)過長時間的打印測試，改進(jìn)后的3D打印零件表面的斷層、氣泡都相應(yīng)減少，且安裝噴頭組件效率提高了40%，出料更加順暢，基本無堵頭情況，打印件表面也更光滑。通過理論計(jì)算，到仿真分析，最后通過大量零件打印，印證了噴頭組件優(yōu)化方案的可行性。

圖9 噴頭組件打印圖

4 結(jié)論

(1)通過對打印噴頭組件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效的降低了散熱器和過度接頭等零部件的溫度，散熱器溫度降低了至少8.17%，鐵氟龍管K1點(diǎn)以上降低了至少23%，提高了噴頭組件自身的散熱效率，增大了材料在塑料喉管內(nèi)的有效驅(qū)動力和流暢度，減少了3D打印機(jī)堵頭的頻律，提高了打印件的打印精度和質(zhì)量。

(2)打印接頭中心定位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效降低了打印機(jī)在安裝過程中帶來的機(jī)械誤差，提高了打印機(jī)的安裝精度，最終為打印件的質(zhì)量提供了保障，為進(jìn)一步開發(fā)3D打印機(jī)提供了參考。

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StructuralOptimizationDesignofPrintingNozzleAssemblyfor3DPrinter

WANG Jun, CHEN Hong-jie, GONG Ya-Jing, WANG Quan, REN Jun

(School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068,China)

Aiming at the problems of low precision, surface roughness, inconvenient installation, and easy plug for 3D Printing nozzle assembly, this paper establishes a nozzle assembly model and analyzes the characteristics of model. Combined with the Fourier heat equation, it uses ANSYS workbench to thermodynamic analyze the nozzle assembly. This paper presents a way to re-optimization design of nozzle assembly and Teflon tube structure through the simulation analysis and practical application. Finally, compare the original nozzle assembly and the improved nozzle assembly. It proves that the nozzle clogging frequency of the printer is obviously reduced, the smoothness is better and the surface quality of the print is improved. The cooling efficiency of the main cooling components improves to 8.17% at least. This improved print nozzle assembly provides a reference for the further popularization and development of 3D printer.

3D printer; print nozzle assembly; temperature field; teflon tube

TH161.4；TG506

A

(編輯李秀敏)