仿真計(jì)算在FDM 3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)過程中的作用

魔猴君  行業(yè)資訊   2154天前

FDM又稱熔融沉積成型，是迄今為止最容易獲取且使用最廣泛的 3D 打印工藝。FDM 3D打印技術(shù)根據(jù)軟件預(yù)設(shè)的坐標(biāo)擠出熱塑性塑料絲，自下而上逐層構(gòu)建部件。這種打印技術(shù)主要以丙烯腈-丁二烯、聚酰胺（尼龍）、PC等熱塑性線裝材料為原料，操作便捷，體積小巧，清潔易用，適合辦公室環(huán)境；打印出的部件具有很好的耐熱性和化學(xué)強(qiáng)度；它可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)沒有辦法制造的復(fù)雜幾何形狀和內(nèi)腔。

除此之外，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)免除了生產(chǎn)過程中繁瑣的工序，便于隨時(shí)更改設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)成本，極大縮短生產(chǎn)周期。綜上考慮，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)在眾多快速成型技術(shù)中有很好的發(fā)展前景，故對(duì)FDM 3D打印機(jī)型的設(shè)計(jì)研究很有必要。本文將結(jié)合某款打印機(jī)的待改進(jìn)機(jī)型（重點(diǎn)討論噴頭部分），淺談此技術(shù)在機(jī)型設(shè)計(jì)中考慮的問題，以及仿真計(jì)算在問題改進(jìn)過程中所起的作用。

圖片：德迪智能的MOIRA DF3桌面級(jí)3D打印機(jī)

FDM打印機(jī)設(shè)計(jì)的基本思路是在噴頭處對(duì)打印材料瞬間加熱使其軟化至粘流態(tài)，絲材擠出至底板上后冷卻成型，從而打印出部件。所以這個(gè)技術(shù)難點(diǎn)之一是噴頭處溫度的控制。針對(duì)這一設(shè)計(jì)中常見的問題有:

-加熱片至噴頭頂端區(qū)域由于散熱使材料提前凝固造成堵塞。

-加熱片以下區(qū)域，由于受熱溫度升高，使輸料管中材料彎軟影響擠料。

計(jì)算及結(jié)果：

針對(duì)以上問題，仿真計(jì)算可以：

1. 通過對(duì)輸料管中打印料材溫度的初步模擬，判斷打印過程中輸料管內(nèi)的料材所處的狀態(tài)以及噴頭內(nèi)溫度分布。

2. 對(duì)加熱和散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)來達(dá)到對(duì)料材狀態(tài)的控制，例如加熱塊的溫度與尺寸，散熱片及風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)等。

下面文章將針對(duì)以上兩點(diǎn)逐步介紹仿真計(jì)算的操作流程及初步結(jié)果。此次對(duì)噴頭的模擬計(jì)算選用ANSYS FLUENT１８.２進(jìn)行計(jì)算。首先了解噴頭的基本結(jié)構(gòu)后，對(duì)模型進(jìn)行前處理網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)標(biāo)后導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中的邊界條件設(shè)置如下所示：

圖1：邊界條件設(shè)置示意圖，來源：安世亞太。

這里我們重點(diǎn)關(guān)注的是輸料管中的溫度分布，而打印過程中影響其溫度分布的有兩處流體區(qū)域：

-噴頭頂端附近風(fēng)扇形成的強(qiáng)制對(duì)流。

-上部散熱結(jié)構(gòu)及風(fēng)扇附近的強(qiáng)制對(duì)流（例如圖2中青色與紫色網(wǎng)格區(qū)域）?？紤]到計(jì)算成本和結(jié)果精確度，此次仿真重點(diǎn)考慮這兩處流體區(qū)域?qū)囟确植嫉挠绊憽?

計(jì)算對(duì)固體與流體的溫度場(chǎng)均進(jìn)行了模擬，固體之間的熱傳遞為熱傳導(dǎo)模型，以公式?T=Q/KA計(jì)算，其中K為傳熱系數(shù)，數(shù)值大小由固體的材料決定，A為接觸面積，?T為接觸物體表面溫度差。固體與外界空氣接觸的墻面為自然對(duì)流，外部流場(chǎng)溫度取用腔體溫度。除此之外，噴頭及散熱片附近的流場(chǎng)模擬為強(qiáng)制對(duì)流，氣體入口為風(fēng)扇，出口為流體域邊界的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓壓強(qiáng)出口。流體計(jì)算域中的噴頭壁面溫度與流體域的計(jì)算耦合。

圖2：網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖，來源：安世亞太。

上文中提到，仿真結(jié)果需要體現(xiàn)輸料管中的溫度分布，故在后續(xù)工藝時(shí)對(duì)輸料管的溫度隨位置變化的曲線進(jìn)行展示如下。

圖3: 輸料管內(nèi)溫度曲線，來源：安世亞太。

結(jié)合3D打印材料的熱力學(xué)性質(zhì)可以得出打印料材在管內(nèi)的各相分布及溫度分布，如下圖所示。通過調(diào)整一系列設(shè)計(jì)，使輸料管內(nèi)的溫度達(dá)到預(yù)期數(shù)值。

圖4(左): 輸料管內(nèi)材料狀態(tài)分析圖; 圖5 （右）噴頭溫度分布圖, 來源安世亞太。

總結(jié)來說，通過與物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，仿真計(jì)算在FDM機(jī)型的設(shè)計(jì)改進(jìn)過程中有指導(dǎo)性的作用，它使設(shè)計(jì)人員更加細(xì)致的觀察打印機(jī)內(nèi)部的特性變化，從而找到好的解決問題方案。同時(shí)，仿真計(jì)算避免了真實(shí)物理模型的建立，從而利于縮短研發(fā)周期。