呂蒙，牛晨旭，楊辰飛

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FDM型3D打印機(jī)噴頭溫度場仿真

呂蒙，牛晨旭，楊辰飛

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460）

FDM型3D打印機(jī)通過熔融沉積的方式打印成型，打印過程中噴頭部分的溫度場受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和冷卻系統(tǒng)影響，在打印過程中易出現(xiàn)溫度分布不均勻的現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)堵料問題，影響打印過程正常進(jìn)行。利用CAE溫度場仿真軟件對(duì)FDM型3D打印機(jī)噴頭三維模型進(jìn)行溫度場仿真，得出3D打印機(jī)噴頭加熱塊、噴嘴以及喉管和散熱鋁塊的溫度場分布。根據(jù)溫度場仿真結(jié)果，為噴頭冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)，進(jìn)而提高FDM型3D打印機(jī)的打印連續(xù)性、效率以及打印工件的表面質(zhì)量。

FDM；3D打印機(jī)；CAE；溫度場仿真；噴頭

FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積制造）型3D打印機(jī)，由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低且環(huán)保性能優(yōu)良，并能適應(yīng)多種材料的打印成型，目前已在3D打印領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[1]。但FDM型3D打印機(jī)采用熔融沉積的材料累加原理，其打印成型的關(guān)鍵部件之一為打印熱噴頭[2]，噴頭結(jié)構(gòu)中喉管的冷卻不足和噴嘴的冷卻過度均會(huì)造成打印過程的堵料問題，影響打印機(jī)工作穩(wěn)定性、打印質(zhì)量和打印效率[3]。

在FDM型3D打印機(jī)設(shè)計(jì)過程中，首先對(duì)噴頭機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并利用CAE溫度場仿真工具對(duì)噴頭的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，進(jìn)而得出噴頭三維模型的溫度場仿真結(jié)果[4]。通過對(duì)比不同冷卻條件下噴頭關(guān)鍵部件的溫度場仿真結(jié)果，驗(yàn)證3D打印機(jī)冷卻系統(tǒng)的可行性和可靠性，并得出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，解決FDM型3D打印機(jī)噴頭堵料的問題，保證打印過程連續(xù)性，提高打印效率和工件的打印質(zhì)量。

1 3D打印機(jī)噴頭結(jié)構(gòu)建模

通過三維制圖軟件對(duì)3D打印機(jī)的熱噴頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模。圖1為FDM型3D打印機(jī)雙噴頭三維模型，包括一個(gè)散熱鋁塊，兩組對(duì)稱的不銹鋼喉管、鋁質(zhì)加熱塊、加熱棒和銅質(zhì)噴嘴[5]。雙噴頭3D打印機(jī)具有兩套互相獨(dú)立的喉管、加熱棒、加熱塊和噴嘴，其中加熱棒、加熱塊、噴嘴和喉管的下半部分為熱噴頭的熱區(qū)，打印時(shí)可獨(dú)立控制兩個(gè)加熱棒對(duì)兩個(gè)獨(dú)立的加熱塊和噴嘴進(jìn)行加熱，進(jìn)行兩種不同顏色材料進(jìn)行混色打印，也可對(duì)兩種不同材質(zhì)的材料進(jìn)行拼接打印[6]。

圖2為3D打印機(jī)熱噴頭剖視圖，其中噴嘴通過螺紋與加熱塊連接；喉管下半部分通過螺紋與加熱塊連接，喉管底端面與噴嘴上端面緊密貼合，喉管與噴嘴均為中空結(jié)構(gòu)，中間有用于傳送打印材料的通孔；加熱塊中加熱棒產(chǎn)生的高溫通過加熱塊傳遞給噴嘴和喉管；喉管上半部份嵌入散熱鋁塊并通過導(dǎo)熱硅脂與之大面積接觸用于傳導(dǎo)喉管的熱量[7]。

圖1 噴頭三維模型

圖2 噴頭剖視圖

打印過程中，熱區(qū)集中于喉管下半部分，通過喉管向上傳導(dǎo)的熱量需要通過具有強(qiáng)迫風(fēng)冷能力散熱鋁塊及時(shí)散發(fā)，避免喉管上半部分出現(xiàn)高溫導(dǎo)致打印材料提前軟化而造成的堵料現(xiàn)象[8]。同時(shí)噴嘴下方施加有冷卻氣流，用于對(duì)噴出的熱熔材料進(jìn)行降溫，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將該冷卻氣流對(duì)噴嘴的溫度影響盡量降低，避免噴嘴溫度過低造成的堵料現(xiàn)象。

2 打印機(jī)噴頭溫度場仿真

將FDM型3D打印機(jī)熱噴頭的三維模型導(dǎo)入CAE軟件進(jìn)行靜態(tài)溫度場仿真，通過設(shè)置散熱片冷卻條件和噴出材料冷卻條件，對(duì)喉管上半部分和噴嘴的溫度進(jìn)行求解，驗(yàn)證上述兩種冷卻方案的可行性。仿真步驟如下[9]：

（1）新建求解工程，選擇Steady State Thermal（靜態(tài)溫度場求解）模式；

（2）將三維軟件中建立的三維模型以igs或step等兼容格式導(dǎo)入仿真軟件中；

（3）將各部件設(shè)置為相對(duì)應(yīng)的材料，如表1，不同材料對(duì)應(yīng)不同的導(dǎo)熱率等熱力學(xué)參數(shù)[10]。

表1 各部件材料

（4）加熱棒為熱噴頭仿真模型中的熱源，根據(jù)3D打印機(jī)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，在加熱棒表面添加恒定溫度210℃（FDM型3D打印機(jī)打印PLA材料的溫度一般為205～215 ℃）；

（5）噴頭結(jié)構(gòu)是由不同實(shí)體零件構(gòu)造的裝配體，實(shí)體間的接觸面選擇自動(dòng)創(chuàng)建，因此零件之間會(huì)根據(jù)導(dǎo)熱率的不同發(fā)生不同程度的理想熱傳導(dǎo)。

（6）對(duì)散熱塊表面進(jìn)行空氣對(duì)流和強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)置不同對(duì)流換熱系數(shù)，空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)為5～25 W/(m2·K)，氣體強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)為20～100 W/(m2·K)。

本算例的目標(biāo)結(jié)果為散熱片、喉管和噴嘴的溫度場分布，因此添加溫度選項(xiàng)，然后進(jìn)行求解，計(jì)算結(jié)束后即可查看溫度分布圖。

3 溫度場仿真結(jié)果

3.1 散熱片及喉管自然冷卻溫度仿真分析

首先將兩個(gè)加熱棒均設(shè)置恒定溫度210℃，設(shè)置所有組件在空氣中，添加空氣自然對(duì)流系數(shù)12.5 W/(m2·K)[11]，查看各組件自然導(dǎo)熱過程溫度分布，如圖3所示。其中噴嘴和加熱棒部分溫度在204～210 ℃之間，喉管是噴頭部分的關(guān)鍵連接件，其溫度由下至上變化范圍為204～156 ℃。已知，喉管上半部分溫度達(dá)到150℃及以上則可能會(huì)造成PLA材料提前軟化，軟化的PLA材料在喉管內(nèi)下行阻力增大，造成材料在喉管內(nèi)堵塞，進(jìn)而導(dǎo)致打印中斷。因此，自然冷卻方式不滿足散熱片和喉管的散熱要求。為保證PLA材料在喉管內(nèi)保持固體狀態(tài)，需增加強(qiáng)迫冷卻裝置降低喉管溫度。隨著打印材料穿過喉管向噴嘴運(yùn)動(dòng)，溫度升高，材料在達(dá)到或高于175℃時(shí)發(fā)生熔融，打印材料通過喉管下半部分至噴嘴的過程中由固態(tài)逐步加熱變成流體狀態(tài)，最終由噴嘴噴出。

3.2 散熱片及喉管強(qiáng)制冷卻溫度仿真分析

為避免打印機(jī)遠(yuǎn)程送絲機(jī)構(gòu)輸送的打印材料在喉管上半部分發(fā)生提前軟化現(xiàn)象，在散熱塊表面增加強(qiáng)迫風(fēng)冷裝置，使喉管上半部分溫度保持在60℃以下。按照強(qiáng)迫風(fēng)冷對(duì)流系數(shù)，模擬散熱裝置的對(duì)流系數(shù)，在散熱塊的散熱表面增加強(qiáng)迫風(fēng)冷對(duì)流系數(shù)100，得到溫度分布如圖4。在增加散熱塊表面的強(qiáng)迫風(fēng)冷裝置后，改變了對(duì)流系數(shù)，使散熱片的熱量能夠及時(shí)散發(fā)，喉管上半部分溫度降至42℃，保證材料在喉管以上部分不發(fā)生軟化，以原有固體狀態(tài)進(jìn)入喉管并順利向下運(yùn)行至噴頭的加熱區(qū)域。

3.3 打印平臺(tái)風(fēng)冷對(duì)噴嘴溫度分布影響

打印過程中，PLA材料通過喉管后，到達(dá)噴嘴時(shí)達(dá)到熔融溫度，打印材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變 為流體狀態(tài)并經(jīng)由噴嘴噴出到打印平臺(tái)上。為了保證打印工件的表面質(zhì)量和打印效率，需對(duì)平臺(tái)上已沉積的材料進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷，保證下一層材料噴出前，前一層沉積材料已充分冷卻并恢復(fù)固態(tài)[12]。

噴頭工作過程中，噴嘴初始狀態(tài)與平臺(tái)間垂直距離在0.05～0.2 mm，噴嘴與已成型打印零件的上表面沉積材料的垂直距離同樣為0.05～0.2 mm，由于噴嘴與已噴出的沉積材料距離過近，故在對(duì)已噴出材料進(jìn)行強(qiáng)制冷卻時(shí)，噴嘴部分亦會(huì)受到冷卻氣流的影響。因此，在噴嘴下方增加強(qiáng)迫風(fēng)冷對(duì)流系數(shù)進(jìn)行溫度仿真，該對(duì)流系數(shù)用于模擬沉積材料的強(qiáng)迫冷卻氣流對(duì)噴嘴的影響，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖3 自然冷卻時(shí)溫度分布

圖4 強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)溫度分布

圖5 噴嘴下方強(qiáng)迫風(fēng)冷溫度分布

根據(jù)仿真結(jié)果，在增加模擬冷卻氣流后，噴嘴溫度仍能保持在210℃左右，因此，對(duì)已噴出沉積材料的強(qiáng)迫風(fēng)冷氣流對(duì)噴嘴的溫度沒有太大影響，故不會(huì)影響PLA材料在噴嘴內(nèi)由固態(tài)到流體狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，能保證材料順利由噴嘴噴出并沉積到打印平臺(tái)上進(jìn)行零件成型。

4 結(jié)論

通過對(duì)FDM型3D打印機(jī)熱噴頭結(jié)構(gòu)三維建模和關(guān)鍵部件進(jìn)行溫度場仿真分析，得出以下結(jié)論：

（1）作為噴頭結(jié)構(gòu)中重要的連接部件，喉管上半部分所連接的散熱片增加散熱裝置進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷，可有效降低喉管以上部件的溫度，保證PLA材料以原有固態(tài)順利進(jìn)入下方噴嘴，避免了在喉管中出現(xiàn)材料的提前軟化、堆積和堵塞的故障；

（2）為保證零件的打印質(zhì)量和打印效率，需要對(duì)噴嘴已噴出材料進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷，該冷卻氣流不影響噴嘴的溫度，避免噴嘴溫度降低造成材料堵塞的可能。

綜上所述，對(duì)FDM型3D打印機(jī)噴頭的溫度場仿真，能夠驗(yàn)證打印機(jī)噴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和噴頭的冷卻方法設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，同時(shí)為打印機(jī)噴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和噴頭的冷卻方法設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和依據(jù)，縮短樣機(jī)研發(fā)、設(shè)計(jì)周期，降低實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成本。

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The Temperature Field Simulation of FDM 3D Printer Nozzle

LV Meng，NIU Chenxu，YANG Chenfei

( Zhengzhou Railway Vocational & Technical College, Zhengzhou 451460, China )

In the printing forming process of FDM (Fused Deposition Molding) 3D printer, the temperature field of printer nozzle is affected by the design of the structure and the cooling system. The FDM 3D printer nozzles tend to have the problems of uneven distribution of temperature and plugging material, which will influence the normal printing process. The temperature field of FDM 3D printer was simulated by using CAE temperature field simulation software. Therefore, the temperature field distribution of nozzle heating block, nozzle and throat tube, and cooling aluminum block is obtained. The simulation results of temperature field provides the theoretical basis for designing and optimizing sprinkler cooling system, which can also improve the printing continuity, efficiency and surface quality of FDM 3D printers.

FDM；3D Printer；CAE；temperature field simulation；nozzle

TH164

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.007

1006－0316 (2018) 07－0028－04

2018－02－01

2016年鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)校教科研基金項(xiàng)目（2016JKY019）

呂蒙（1991－），男，河南泌陽人，碩士研究生，助教，主要從事機(jī)械電子工程相關(guān)專業(yè)研究與教學(xué)工作。