3D打印噴頭的熱力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

目前3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用在珠寶首飾、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、汽車、航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)甚至美食等不同領(lǐng)域 。熔融沉積造型（FDM）3D增材打印技術(shù)作為3D打印的主要 方式，具有可制作零部件品種多、改型快、可以彩色成型的優(yōu)點，但是，目前熔融沉積造型3D打印噴頭仍存在打印表面質(zhì)量和打印精度達(dá)不到工業(yè)要求以及打印頭制造成本高的缺陷。針對上述問題，本文通過研究3D打印噴頭的熱合理性，對其熱量分布和溫度場作相應(yīng)分析，進一步優(yōu)化設(shè)計3D打印噴頭的結(jié)構(gòu)，使其在提高打印表面精度的同時制造成本也大大降低。

1熔融沉積造型3D打印噴頭工作原理

3D打印技術(shù)是指通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增 加材料來生成三維實體的技術(shù)，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)不同，因此又稱添加制造。熔融沉積造型采用熱熔噴頭,使處于半流動狀態(tài)的材料按CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑擠壓并堆積在指定的位置凝固成原型,逐層擠出堆積，凝固后形成整個原型或零件。其組成系統(tǒng)包括：高精度機械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、成型環(huán)境等。本文所研究內(nèi)容主要涉及噴射系統(tǒng)。 基于熔融沉積制造技術(shù)的3D打印機噴頭的工作原理如圖1所示，

3D打印機噴頭由定位區(qū)、進給區(qū)、熔絲區(qū)和增材區(qū)組成。定位區(qū)作用是使絲料初定位，讓絲料能準(zhǔn)確流暢地進入進給區(qū)；進給區(qū)由主動齒輪和從動軸承輪組成，兩輪中間保持特定的間隙，間隙大小值要足以使絲料在兩輪的夾緊摩擦力F作用下向前穩(wěn)定運動；熔絲區(qū)由喉管通道、穩(wěn)定架、隔熱層和加熱塊組成，在此處未熔化的絲料和熔融狀的絲料在通道中形成活塞作用，迫使絲料從噴嘴噴出；增材區(qū)由噴嘴、工作臺和工件組成，在增材打印過程中，X、Y方向由噴頭運動控制，Z方向即每層打印厚度由工作臺上下運動控制。從其原理可知，造成打印表面精度差的原因在于噴頭在X、Y向的運動，本文不研究控制噴頭運動的電機精度和絲杠傳動精度等因素，而從噴頭由于加熱塊高溫引起的在X、Y向變形量展開研究，進而為優(yōu)化改進噴頭機構(gòu)提供理論依據(jù)。

2 仿真分析
2.1 噴頭幾何模型建立及邊界條件設(shè)置
3D打印噴頭主要采用三種材料：鋁、銅、鐵，從ANSYS自帶的工程材料數(shù)據(jù)庫中依據(jù)零件的要求，選 擇相應(yīng)的材料AluminumAlloy（鋁）、CopperAlloy（銅）、StructuralSteel（鐵），在熱分析中主要涉及材料的熱導(dǎo)率、比熱容、輻射系數(shù)等，由于本文計算模型的結(jié)構(gòu)都不是太復(fù)雜，同時計算溫度場的面積又比較大，所以選擇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分。由于噴嘴、喉管及加熱塊部分相對于整體溫度場域，面積較小，所以在噴嘴、喉管、加熱塊區(qū)進行網(wǎng)格細(xì)分，可以保證較高的計算精度。邊界條件設(shè)置：熱分析中的邊界條件包括溫度、對流、輻射等，針對本文3D打印機的工作環(huán)境（打印ABS件），選擇加熱塊加熱處為 300℃溫度邊界，電機底部 為22℃邊界，傳熱方式為接觸面的熱傳導(dǎo)；選擇穩(wěn)定架和發(fā)熱塊的表面為有熱輻射表面，輻射系數(shù)為0.3， 熱傳導(dǎo)系數(shù)由各部件材料決定，在ANSYS庫中可以添 加。

2.2 分析熱量分布和溫度場對噴頭變形的影響

根據(jù)上述研究，通過ANSYS軟件進行仿真試驗， 試驗條件對試驗結(jié)果的影響分析如下。

2.2.1 溫度分布對噴頭變形的影響
從熱膨脹原理知道，如果金屬部件受熱不均勻，兩 側(cè)溫度上升不一致，當(dāng)上側(cè)溫度高于下側(cè)時，金屬部件上側(cè)的膨脹量大于下側(cè)的膨脹量，從而使金屬部件向下彎曲，產(chǎn)生了熱變形。熱膨脹即材料因其固有的熱膨脹率而產(chǎn)生的體積變化,它是膨脹產(chǎn)生的最主要原因, 由熱膨脹引起的膨脹量為： △L＝δ（L+△/2）△t［8］ （1）式中：δ為材料的線膨脹系數(shù)，℃-1；L為零件X、Y方向的尺寸,mm；△t為溫差，℃；△為制件的公差，mm （按 留有加工余量進行取大補償）。 由圖1知，3D打印噴頭的誤差敏感方向是在X軸和Y軸方向上，即在這兩個方向上的變形將直接影響噴頭的打印精度。3D打印噴頭的穩(wěn)態(tài)溫度分布場仿真結(jié)果如圖2所示，

圖2（a）表示噴頭的溫度場分布云圖，圖2（b）表示噴頭的總變形圖?？偨Y(jié)圖2可得表1所示的數(shù)據(jù)。 其中，重要部件電機上的溫度最高達(dá)到238℃，這對電機的工作性能和壽命影響很大?？偨Y(jié)表1，根據(jù)熱膨脹變形規(guī)律可以得出，此種結(jié)構(gòu)的噴頭存在明顯的溫度差，導(dǎo)致穩(wěn)定架和散熱片在噴頭打印敏感方向上產(chǎn)生熱變形，由圖2（b）可以看出，最大變形量發(fā)生在穩(wěn)定架上，其在X方向上的變形量最大，達(dá)到了0.298 mm，這對安裝在其上的噴頭打印精度產(chǎn)生很大影響。 此外，由于被用來融化材料絲的溫度大面積傳遞到其它零件上，因此造成熱量的流失。

2.2.2總結(jié)熱分析結(jié)果分析噴頭熱量分布的合理性
當(dāng)物體內(nèi)部存在溫差，即存在溫度梯度時，熱量從 物體的高溫部分傳遞到物體的低溫部分稱為熱傳導(dǎo)。若是不同物體相接觸，熱量則會從高溫物體傳遞到低溫物體。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律： q*=-Knn墜T 墜n （2） 式中：q*為熱流密度；Knn為導(dǎo)熱系數(shù)；墜T墜n 為沿n向的溫度梯度；T為溫度；n為溫度分布圖中的法向方向；負(fù)號表示熱量流向溫度降低的方向。 物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射，物體溫度越高，單位時間輻射的熱量越多。系統(tǒng)中每個物體同時輻射并吸收熱量，它們之間凈熱量傳遞可以用斯忒藩-波耳茨曼方程來計算： q=εσA1F12（T14-T24）（3） 式中：q表示熱流率；ε表示輻射率；σ為斯忒藩-波耳茨曼常數(shù)；A1表示輻射面1的面積；F12為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)；T1為輻射面1的絕對溫度；T2為輻射面2的絕對溫度。 由式（1）知，圖2結(jié)構(gòu)的噴頭可明顯導(dǎo)致零件材料本身的熱變形，從而造成在敏感方向X、Y方向的變形，影響噴頭打印精度。依據(jù)整體熱變形云圖看，最大變形量發(fā)生在穩(wěn)定架上，并且由于打印噴頭定位安裝在其上，因此穩(wěn)定架的變形量將直接作用在打印誤差敏感方向上，分析其原因是由于加熱塊與穩(wěn)定架直接面接觸，本文經(jīng)過3D打印噴頭仿真實驗，在所有的熱量傳遞方式中，面接觸傳導(dǎo)對噴頭的變形影響最大，輻射影響相對很小，因此，在優(yōu)化噴頭零件之間的布局時，可以采用增多熱輻射形式，減少大溫度差的面接觸形式。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
3.1 依據(jù)分析結(jié)果改進噴頭
影響3D打印噴頭打印精度的結(jié)構(gòu)因素比較多，包括主動輪與從動輪之間的摩擦力大小、絲料通道的幾何特征等。本文主要圍繞其結(jié)構(gòu)敏感方向上 的熱變形和制造成本展開研究，并根據(jù)以上分析總結(jié)，對噴頭作優(yōu)化改進，主要改進穩(wěn)定架、送絲導(dǎo)輪機構(gòu)等重要部件，改進后的模型與之前不同之處表現(xiàn)在：
①加熱塊與穩(wěn)定架保持8~10mm的距離，優(yōu)點是熱傳遞方式由原來的面接觸熱傳導(dǎo)變成熱輻射型；
②穩(wěn)定架單獨固定在電機上；
③送絲導(dǎo)輪機構(gòu)安裝高度高于穩(wěn)定架5mm。

根據(jù)式（2）和式（3）以及仿真實驗知，在同一種溫度傳遞形式下，熱傳導(dǎo)的熱流率要遠(yuǎn)比熱輻射多，由此傳遞到電機、穩(wěn)定架、散熱片上的溫度也將大減，因此，這種布局將有助于減少噴頭的熱變形和有效利 用熱量，如圖3所示。

3.2改進前后模型熱力學(xué)仿真對比
對改進后的噴頭在同樣的溫度載荷、邊界條件和 材料的環(huán)境下進行ANSYS熱力學(xué)仿真實驗，仿真結(jié)果如圖3所示。 對比圖2（a）和圖3（a），可以看出溫度分布產(chǎn)生明顯變化，其中重要部件電機上面的溫度降低至常溫，并且消除了溫度梯度，保證電機工作環(huán)境穩(wěn)定安全；對比改進前后穩(wěn)定架上承載的溫度分布，溫差明顯下降，從原來的最高溫度270℃降至83℃，幾乎消除穩(wěn)定架材料的變形量，從而保證在誤差敏感方向上變形最?。话l(fā)熱銅塊溫度分布集中在加熱塊上，分布均勻，可以高效率利用熔化絲料的熱量；改進后送絲導(dǎo)輪機構(gòu)上溫度控制在50℃以下，因此可以選擇較為經(jīng)濟的材質(zhì)制造，比如選擇塑料件。

對比圖2（b）和圖3（b），圖2（b）中的最大變形量發(fā)生在穩(wěn)定架上，變形量達(dá)到0.298mm，基于噴嘴安裝在其上，所以這些變形量將直接導(dǎo)致噴頭打印誤差。改進后由圖3（b）看出，敏感元件穩(wěn)定架的變形量降至最大0.034mm，變形量減至原來的12.5%，從圖3（b）中看出最大變形量發(fā)生在加熱塊，由于加熱塊是安裝在噴嘴上，其自身變形對噴嘴幾乎不產(chǎn)生影響；此外噴嘴的變形主要作用在噴頭打印方向即Z軸方向，不在敏感方 向X、Y上。因此，可以總結(jié)出此種布局的噴頭變形量相對于未改進的噴頭大大降低，從而提高3D打印噴頭的打印精度。 改進前后各零件溫度對比與變形量對比見表2，從表2可看出，改進后噴頭各關(guān)鍵零件的溫度和最大變形量都明顯降低，因此，有利于提高打印精度和有效利用熱量。

3.3 3D打印噴頭的優(yōu)化定型設(shè)計
3D打印噴頭在實際生產(chǎn)制造中的成本對3D打印 產(chǎn)業(yè)化尤為重要，噴頭結(jié)構(gòu)中要求最高的屬送絲導(dǎo)輪機構(gòu)，因此必須不斷降低成本，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，促使其制造簡單并且打印效率高。

圖4是上文所提噴頭的送絲導(dǎo)輪機構(gòu)，圖4中安裝從動輪的4mm細(xì)軸和2mm的凹凸槽在傳統(tǒng)的機床上很難加工，并且主動輪與從動輪之間的間隙要求很精密，因此要加工制造出這種細(xì)小并高精度的零件勢必會增加3D打印噴頭制造成本。為此，重新設(shè)計一種如圖5所示中的送絲導(dǎo)輪機構(gòu)，其中安裝固定從動輪的軸用M4螺釘，從動輪的上下定位采用2mm墊片，從動輪與主動輪之間的間隙由安裝M4螺釘孔的位置決定，因此只要保證能銑出位置精度合格的孔就能滿足間隙要求，這比加工出細(xì)小軸要容易得多，這種結(jié)構(gòu)的另一個好處是，根據(jù)零件的互換性，當(dāng)固定從動輪的軸磨損或折斷時，不必重新更換整個送絲導(dǎo)輪機構(gòu)，只需更換M4螺釘即可，因此采用這種結(jié)構(gòu)的送絲導(dǎo)輪機構(gòu)可以大大降低3D打印噴頭的制造成本，同時保證打印效率和精度。

經(jīng)仿真分析與送絲導(dǎo)輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化，得出如圖5所示的新型3D打印噴頭。通過實際制造和在3D打印機中的使用，該型3D打印噴頭具有制造 成本低、打印效果好的優(yōu)點，可以滿足3D打印產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)要求。

結(jié)論
為了研究熔融沉積造型3D打印噴頭在打印過程 中存在的熱結(jié)構(gòu)不合理引起的打印精度差等問題，本文采用了熱力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計理論，針對影響打印3D噴頭打印精度和制造成本的諸多因素展開 研究，將材料熱力學(xué)分析應(yīng)用到實際制造生產(chǎn)中，通過把加熱塊單獨定位安裝和送絲導(dǎo)論機構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進設(shè)計，結(jié)合仿真實驗和實際生產(chǎn)使用，使新型的3D打印噴頭變形量降低至現(xiàn)有噴頭的12.5%，表面溫度分布合理，結(jié)構(gòu)工藝簡單實用，為進一步提高3D打印噴頭打印誤差和降低制造成本，奠定了理論和實際應(yīng)用基礎(chǔ)。

編輯（南極熊）
作者：肖亮，馬訓(xùn)鳴，要義勇，謝志宴（西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院       西安交通大學(xué)快速制造國家工程研究中心）

很好，實用