朱黎立，周敏，高強，段現(xiàn)銀

(武漢科技大學(xué) a.冶金裝備及其控制教育部重點實驗室；b.機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，武漢 430081)

0 引言

3D打印技術(shù)也稱為快速成型技術(shù)，廣泛應(yīng)用于建筑、工業(yè)設(shè)計、汽車、醫(yī)療等不同領(lǐng)域[1]。融熔沉積型(FDM)3D打印技術(shù)是3D打印的主要方式，它是一種將PLA或ABS線材加熱至熔融狀態(tài)，并通過進料齒輪的導(dǎo)入，再從噴嘴擠出，按一定的形狀堆疊形成打印件的裝置[2-4]。FDM 3D打印機在工作時，噴頭加熱塊的熱量會通過導(dǎo)管傳到遠端，使打印材料提前軟化，產(chǎn)生熱變形。打印材料軟化后，一方面，進絲導(dǎo)輪不能有效夾緊打印材料，導(dǎo)絲能力降低，造成導(dǎo)絲不通暢；另一方面，軟化的打印材料拉伸強度降低，在進擠力的作用下容易出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。打印材料擠出時，依然有很高的溫度，維持半熔融狀態(tài)，會影響下一層打印件的堆疊。這些由于打印機噴頭散熱性能的不足而引起的問題，最終會影響打印機的打印精度[5-7]。國內(nèi)外許多學(xué)者對FDM 3D打印冷卻和散熱問題進行了大量的研究。肖亮等采用熱力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，解決3D打印過程中由熱量導(dǎo)致噴頭熱變形引起打印精度差等問題[8]。L Wang等針對典型的FDM噴頭結(jié)構(gòu)，分析了噴頭的熱傳遞路徑和過程，結(jié)合熱仿真分析和實驗研究，分析了噴頭堵塞的原因并提出了解決方法[9]。YF Jin等針對FDM 3D打印過程中因散熱不良引起的層錯位和坍塌問題，設(shè)計開發(fā)了一種功率可調(diào)型半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)[10]。張毅等為了解決FDM 3D打印機使用過程中經(jīng)常遇到的噴頭堵塞問題，基于磁制冷技術(shù)，研究和設(shè)計了一種新型的3D打印機噴頭[11]。目前的研究都未能有效的解決打印材料提前軟化和打印成型件不能及時冷卻的問題，因此對FDM 3D打印機噴頭冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計就顯得尤為重要。

本文設(shè)計了一種基于FDM高效簡易的3D打印機冷卻裝置。分析了打印材料提前軟化和打印成型件不能及時冷卻的問題，利用ANSYS fluent軟件模擬了噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后噴頭的溫度場分布，以及打印材料的溫度場分布與應(yīng)變分布。優(yōu)化了打印機噴頭的結(jié)構(gòu)，通過打印成型件的實驗，分析了優(yōu)化前后成型件的誤差，證明了優(yōu)化后的噴頭結(jié)構(gòu)能有效改善打印材料提前軟化和打印成型件不能及時冷卻的問題，提高了成型件的精度。

1 FDM 3D打印機噴頭工作與熱分析原理

1.1 FDM 3D打印機噴頭工作原理

FDM 3D打印機噴頭的工作原理如圖1所示，打印材料導(dǎo)入到打印機噴頭后被導(dǎo)絲輪夾緊固定，在進料齒輪的嚙合推動下，打印材料被送進加熱腔加熱至熔融狀態(tài)，打印材料的后部此時依舊向前擠進，推動熔融態(tài)的前部絲料擠出噴頭，在工作臺上經(jīng)過冷卻固化形成工件的截面輪廓。

在使用過程中，噴頭的熱量會通過導(dǎo)向管傳到遠端，使打印材料提前軟化，出現(xiàn)導(dǎo)絲不通暢或斷絲現(xiàn)象，從而影響打印精度。熔融狀態(tài)的打印材料從噴頭擠出時還帶有一定的熱量，維持半熔融狀態(tài)，冷卻不及時，后一層的材料的堆積會使前一層材料發(fā)生坍塌和破壞，最終使成型件精度變差。

圖1 FDM打印機工作原理圖

1.2 噴頭有限元熱分析原理

本文研究噴頭和打印材料的三維溫度場分布情況，根據(jù)傳熱學(xué)原理，三維穩(wěn)態(tài)溫度場方程如式(1)所示[12]：

(1)

其中，T為溫度；q為熱源密度；T0為Γ2周圍介質(zhì)的溫度；α為Γ2面的換熱系數(shù)；λx,λy,λz分別為介質(zhì)在x,y,z方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；λ為Γ1和Γ2面法向?qū)嵯禂?shù)。

打印材料受熱提前軟化會發(fā)生熱彈性變形，熱彈性理論的物理方程為[13]：

(2)

E為彈性模量；μ為泊松比；λ為熱膨脹系數(shù)；σx,σy,σz為溫度改變引起的熱應(yīng)力；τx y,τyz,τx z為三個方向的剪應(yīng)力。

2 仿真分析與零件成型實驗

2.1 仿真分析

為分析打印機噴頭工作時打印材料提前軟化問題，需對噴頭及打印材料進行熱仿真分析，并對打印材料進行熱應(yīng)變分析。在前處理軟件GAMBIT中建立噴頭的簡化三維模型以及打印材料(從噴嘴到噴頭入口處之間的部分)的三維模型，并對三維模型進行體網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分類型采用Tet/Hybrid，網(wǎng)格劃分方法采用TGrid，網(wǎng)格大小為2mm。打印機噴頭3D網(wǎng)格模型見圖2a，打印材料3D網(wǎng)格模型如圖2b所示。

圖2 3D網(wǎng)格模型

塊加熱處為入口邊界條件，噴頭底部為483K(210℃)溫度邊界，初始溫度為293K(20℃)，環(huán)境溫度為293K，噴頭主要采用的材料為鋁和銅，可以從ANSYS fluent軟件自帶的工程材料數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入。傳熱方式為熱傳導(dǎo)，不計熱輻射和熱對流，其他參數(shù)設(shè)為默認值。

打印材料選擇PLA，仿真邊界條件設(shè)置如下：選擇PLA底部與加熱塊接觸部位為483K溫度邊界條件，選擇PLA頂部溫度為293K溫度邊界，環(huán)境溫度為293K。傳熱方式為熱傳導(dǎo)，不計熱輻射和熱對流，其他參數(shù)設(shè)為默認值。打印材料的熱學(xué)參數(shù)[14]如表1所示。

將上述噴頭和打印材料的邊界條件和3D網(wǎng)格模型導(dǎo)入ANSYS Fluent中，設(shè)置相關(guān)參數(shù)進行仿真，可以得到噴頭z=0平面上的溫度場分布(圖3)、不同截面上溫度云圖(圖4)以及打印材料溫度場分布(圖5)與熱應(yīng)變分布(圖6)。

圖3 z=0平面溫度場分布

PLA參數(shù)數(shù)值PLA參數(shù)數(shù)值彈性模量3.5×109MPa 打印溫度190℃～220℃泊松比0.35軟化溫度333K(60℃)比熱容2040J/(kg·K)密度1.25±0.05g/cm3熱導(dǎo)率0.231W/(m·K)直徑1.75mm±0.02mm熱擴散率0.205mm2/s 屈服強度70 MPa熱膨脹系數(shù)1.999×10-6 彈性應(yīng)力3750 MPa

圖4 不同截面上溫度云圖(x=15,x=25,x=35,x=45)

圖5 打印材料溫度場云圖

圖6 打印材料位移云圖

從圖3中可以看出，噴頭在進絲導(dǎo)輪處的溫度在335K～340K之間，超過了打印材料的軟化溫度333K(60℃)，從圖5中可以看出，打印材料在進絲導(dǎo)輪處的溫度達到341K,也超過了打印材料的軟化溫度，從圖6中可以看出，打印材料在進絲導(dǎo)輪處的最大位移量達到了0.0237mm，形變量較大。打印材料已經(jīng)軟化，打印機出現(xiàn)斷絲和導(dǎo)絲不通暢的問題，影響打印精度。

2.2 零件成型實驗

通過SolidWorks軟件設(shè)計三維零件模型，模型尺寸為φ20mm×20mm。取打印層厚和打印速度2個在常規(guī)打印中對成型精度影響比較大的影響因子[15]，設(shè)置了4種不同的打印層厚和4種不同的打印速度組合的16組打印參數(shù)，其它參數(shù)不變，具體如表2所示。打印出16個成型件模型后，測量每個成型件的誤差，包括高度誤差、平面度誤差、圓度誤差以及圓柱度誤差，測量結(jié)果如表3所示。

表2 打印參數(shù)設(shè)置

表3 成型件誤差

表3中成型件誤差產(chǎn)生的原因主要是：打印過程中，前一層材料溫度較高未能及時冷卻成型，后一層就開始堆積，導(dǎo)致前一層材料的塌陷和破壞。并且打印過程中還出現(xiàn)進料齒輪不能有效夾緊絲料，導(dǎo)致噴頭不能順利擠出絲料的情況，也導(dǎo)致了打印成型件精度變差。因此需要對打印機噴頭進行優(yōu)化設(shè)計，提高成型件精度。

3 噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 模型設(shè)計

為解決打印材料提前軟化和成型件冷卻的問題，設(shè)計了一種高效簡易的FDM 3D打印機噴頭冷卻裝置。噴頭冷卻裝置由冷卻腔、冷空氣導(dǎo)管、節(jié)流閥以及冷卻環(huán)組成。冷卻裝置整體模型如圖7所示，冷卻腔固定在打印機噴頭上部，冷卻環(huán)固定在打印機噴嘴上，導(dǎo)氣管連接冷卻腔和冷卻環(huán)，節(jié)流閥裝在空氣導(dǎo)管上，冷卻腔中設(shè)有整流板。如圖8所示，冷卻環(huán)上均勻地設(shè)有多個出風(fēng)口，出風(fēng)口垂直指向成型件。

冷卻裝置重量約為80g，增加的重量對打印機的橫移光桿產(chǎn)生了額外的壓力，使橫移光桿產(chǎn)生形變。因此，需要對打印機橫移光桿的進行力學(xué)仿真，分析橫移光桿新增加的形變是否對打印機的性能產(chǎn)生影響。在力學(xué)仿真軟件中建立橫移光桿受力模型，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖7 冷卻裝置整體模型

圖8 冷卻環(huán)模型

圖9 橫移導(dǎo)軌位移云圖

可以看出，橫移導(dǎo)軌新增加的位移形變最大為0.03019mm，對于打印機的精度而言，位移量非常小，可以忽略不計，即說明此優(yōu)化設(shè)計的模型可以滿足要求。

3.2 冷卻裝置工作原理

冷卻裝置工作時，冷空氣從冷卻腔空氣入口流入，一部分流入打印機噴頭內(nèi)部，在進絲導(dǎo)輪處對打印材料進行冷卻。由于加熱塊與進絲導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)中間有隔熱板，冷卻裝置不會影響打印機加熱塊的工作溫度；冷空氣另一部分通過冷空氣導(dǎo)管進入冷卻環(huán)對成型件進行冷卻，節(jié)流閥控制冷空氣進入冷卻環(huán)的流量。冷卻環(huán)環(huán)繞式的冷卻方式使打印擠出料不論從哪個方向擠出到打印面上，都會立即被冷卻。冷卻環(huán)采用耐高溫隔熱材料制成，因此通入的冷空氣也不會影響噴嘴的正常工作溫度。冷卻腔中整流板將進入的紊亂的冷空氣氣流均勻、穩(wěn)定地導(dǎo)入噴頭和冷卻環(huán)。

3.3 優(yōu)化后模型熱力學(xué)仿真

本文涉及到的冷卻裝置需滿足以下的條件：從成本和能耗的角度出發(fā)，選擇的冷空氣溫度為室溫293K(20℃)，即通入的冷空氣不需要冷卻處理。選擇的鼓風(fēng)機送風(fēng)的最大風(fēng)速為0.1 m/s。優(yōu)化后噴頭的3D網(wǎng)格模型如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后噴頭3D網(wǎng)格模型

優(yōu)化后噴頭仿真邊界條件設(shè)置如下：選擇冷空氣入口速度為邊界條件，冷空氣入口速度為0.1m/s，冷空氣入口溫度為293K。選擇加熱塊加熱處為入口邊界條件，入口邊界溫度為483K，環(huán)境溫度為293K。冷卻腔與噴頭連接處為自由流動出口邊界條件。傳熱方式為熱輻射和熱對流，不計熱輻射，其他參數(shù)設(shè)為默認值。

將上述優(yōu)化后噴頭及打印材料的邊界條件和3D網(wǎng)格模型導(dǎo)入ANSYS Fluent中，當噴頭工作時，設(shè)置相關(guān)參數(shù)進行仿真，可以得到噴頭z=0平面上的溫度場分布(圖11)、不同截面上的溫度云圖(圖12)以及打印材料溫度場分布(圖13)與熱應(yīng)變分布(圖14)。

圖11 z=0平面上的溫度場分布

圖12 不同截面上溫度云圖(x=15,x=25,x=35,x=45)

圖13 優(yōu)化后打印材料溫度分布云圖

圖14 優(yōu)化后打印材料位移云圖

從圖11可以看出，噴頭在進絲導(dǎo)輪處的溫度在314K～319K之間，低于打印材料的軟化溫度333K(60℃)，從圖13中可以看出，打印材料在進絲導(dǎo)輪處的溫度為324K，也低于打印材料的軟化溫度，從圖14中可以看出，打印材料在進絲導(dǎo)輪處的最大位移量為0.0158mm，形變位移降低。

3.4 優(yōu)化后零件成型實驗

根據(jù)表2的打印參數(shù)，打印成型件模型，測量成型件誤差如表4所示，對比表3可以看出，優(yōu)化后成型件的誤差有所降低，具體結(jié)論需進一步分析。

表4 優(yōu)化后成型件誤差

4 優(yōu)化前后結(jié)果分析

通過對比優(yōu)化前后噴頭和打印材料的溫度場分布以及打印材料的應(yīng)變分布，如表5所示。優(yōu)化前噴頭和打印材料在進絲導(dǎo)輪處的溫度均超過333K。而經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，噴頭和打印材料在進絲導(dǎo)輪處的溫度分別降低了20K和18K左右，降低后的溫度均低于打印材料提前軟化的溫度。打印材料在導(dǎo)絲輪處的形變量從優(yōu)化前的0.0237mm降低到優(yōu)化后0.0158mm。通過對比優(yōu)化前后噴頭在導(dǎo)絲輪處截面的溫度場云圖(圖4和圖12)，可以看出，優(yōu)化后的噴頭在進絲導(dǎo)輪處的平面溫度相對于優(yōu)化前普遍降低。上述結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后打印材料提前軟化的問題得到有效解決。

表5 優(yōu)化前后溫度與變形量

注：表中數(shù)據(jù)均為進絲導(dǎo)輪處。

圖15 優(yōu)化前后成型件誤差散點圖

表6 優(yōu)化前后成型件的平均誤差

通過分析優(yōu)化前后成型件誤差的散點圖(圖15)和平均誤差(表6)，可以看出，優(yōu)化后成型件誤差降低，精度顯著提高。

5 結(jié)論

本文通過ANSYS fluent軟件對打印機噴頭進行溫度場仿真模擬，分析了噴頭和打印材料溫度場的分布情況以及打印材料的應(yīng)變情況，研究了成型件的精度誤差，優(yōu)化了FDM打印機噴頭結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的結(jié)論如下：

(1)打印機噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，噴頭在進絲導(dǎo)輪處的溫度從優(yōu)化前的335K～340K降低到優(yōu)化后的314K～319K，打印材料在進絲導(dǎo)輪處的溫度從優(yōu)化前的341K降低到優(yōu)化后的324K。打印材料在進絲導(dǎo)輪處的形變量從優(yōu)化前的0.0237mm降低到優(yōu)化后的0.0158mm，材料提前軟化的現(xiàn)象得到很大改善，進絲系統(tǒng)導(dǎo)絲性能得到提升；

(2)打印機噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，通過對比優(yōu)化前后成型件的誤差，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的成型件誤差明顯降低，成型件的冷卻效果顯著，成型件的精度提高。

本文設(shè)計的FDM 3D打印機冷卻系統(tǒng)為進一步提高3D打印機打印精度提供理論和實際基礎(chǔ)，為今后噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。