仿真計算在3D打印FDM機型噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中的應(yīng)用

作者：張亦舒
來源：安世亞太

通過與物理實驗的結(jié)合，仿真計算在FDM機型的設(shè)計改進(jìn)過程中有重要的指導(dǎo)性作用，使設(shè)計人員能夠更加細(xì)致的觀察打印機內(nèi)部的特性變化，從而找到好的解決問題方案。

同時，仿真計算也可以驗證物理實驗中推測出的結(jié)論，使結(jié)構(gòu)的設(shè)計更確定和清晰。最后，仿真計算避免了真是物理模型的建立，從而利于縮短研發(fā)周期。本期增材專欄，通過仿真計算在3D打印FDM機型噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用案例分享，展現(xiàn)仿真在FDM機型設(shè)計改進(jìn)過程中的價值。

熔融擠出成型(FDM)工藝是利用高溫將材料融化成液態(tài)，通過打印頭擠出后固化，最后在立體空間上排列形成立體實物。FDM機械系統(tǒng)主要包括噴頭、送絲機構(gòu)、運動機構(gòu)、加熱工作室、工作臺等（如圖1）。

圖1 FDM工藝原理示意圖

如圖1所示，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)。每一個層片都是在上一層上堆積而成，上一層對當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會發(fā)生變化。層層累積直至打印完成。

FDM成型技術(shù)使用、維護(hù)簡單，成本較低。用ABS制造的原型因具有較高強度而在產(chǎn)品設(shè)計、測試與評估等方面得到廣泛應(yīng)用。近年來又開發(fā)出PC，PC/ABS，PPSF等更高強度的成形材料，使得該工藝有可能直接制造功能性零件。

然而這種快速成型技術(shù)也存在他的局限，例如：

• 原型的表面有較明顯的條紋，表面光潔度較高的產(chǎn)品需要后處理；
• 在與截面垂直的方向強度??；
• 需要設(shè)計和制作支撐結(jié)構(gòu)，成型速度相對較慢，不適合構(gòu)建大型零件；
• 噴頭容易發(fā)生堵塞，不便維護(hù)。
  

如上所述，F(xiàn)DM噴頭的結(jié)構(gòu)是這種快速成型技術(shù)的技術(shù)要點。好的噴頭結(jié)構(gòu)可以最大效率的利用熱量，完成精準(zhǔn)的溫度控制，使打印絲材在打印過程中快速且穩(wěn)定的完成熔化凝固的過程。

計算及結(jié)果
針對目前對現(xiàn)有FDM噴頭的分析可知，在FDM噴頭設(shè)計的過程中，集中在噴頭處的問題主要體現(xiàn)在以下幾方面：

• 加熱片以上區(qū)域由于受熱溫度升高，使輸料管中材料彎軟影響擠料。
• 加熱片以下區(qū)域，尤其是噴嘴處，由于散熱使材料凝固造成堵塞。
  

總而言之，噴頭結(jié)果不能達(dá)到對熱量的精準(zhǔn)控制，使噴頭的導(dǎo)熱與散熱結(jié)構(gòu)配合不協(xié)調(diào)，進(jìn)而影響打印絲材的相變過程。

在考慮到以上一系列問題后，好的FDM噴頭設(shè)計既可以保證其打印過程中噴頭向下的導(dǎo)熱還要滿足向上良好的散熱。針對以上問題，仿真計算可以:

• 通過對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)以及噴嘴內(nèi)溫度分布。
• 對加熱和散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)來達(dá)到對料材狀態(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)等是否合理。
  

下面文章將針對以上兩點逐步介紹仿真計算的操作流程即初步結(jié)果。現(xiàn)有待分析的某型號噴頭周圍存在兩個散熱風(fēng)扇分別作用于噴頭散熱片周圍以及噴頭擠出料材周圍，顯然作用于散熱片的風(fēng)扇目的是促進(jìn)噴頭上部的散熱，從而防止夾在中間輸料管的絲材軟化；

而作用于擠出料材附近的風(fēng)扇目的是使熔化的打印材料在擠出成型后迅速固化。因為在噴嘴附近的流場中存在風(fēng)扇的設(shè)計，故在計算噴嘴的熱能利用效率時同時考慮了噴嘴周圍的流場。因此，此次對該噴嘴溫度分布的計算為流體與熱力學(xué)的耦合計算。

雖然在實際打印過程中輸料管內(nèi)部的打印料材以一定的進(jìn)料速率向噴嘴方向輸送料材，且在加熱片至噴嘴之間存在打印料材的相變過程，但料材在打印之前的溫度分布同樣對打印的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

故本實驗暫時不考慮輸料管內(nèi)料材的輸送速度（即送料速率為0），同時忽略輸料管內(nèi)料材的相變（認(rèn)為輸料管中的料材總為固態(tài)）。當(dāng)噴嘴熱量達(dá)到穩(wěn)定后，通過對比打印料材的各項熱力學(xué)性質(zhì)來判斷打印絲材在對應(yīng)位置的狀態(tài)，并以此判斷該結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

此次對噴頭的模擬計算選用ANSYS FLUENT19.2進(jìn)行計算。首先了解噴嘴的基本結(jié)構(gòu)后，對模型進(jìn)行前處理網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)標(biāo)后導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行計算。

圖2 模型結(jié)構(gòu)圖

圖3 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖

為加速收斂，考慮噴嘴打印前處于初始狀態(tài)的溫度分布，計算時將噴嘴的溫度初始化為圖4所示。給予對應(yīng)加熱塊高溫，其余零部件處于室溫狀態(tài)。因為這里只關(guān)注噴嘴熱量達(dá)到穩(wěn)定后的溫度分布，進(jìn)而對比打印料材的各項熱力學(xué)性質(zhì)來判斷打印絲材在對應(yīng)位置的狀態(tài)，所以對初始化的模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算。

計算過程針對風(fēng)扇的功能進(jìn)行分析，所以模擬了以下四種工況：

• 工況一：兩風(fēng)扇均處于工作狀態(tài)；
• 工況二：兩風(fēng)扇均不工作；
• 工況三：僅散熱片處風(fēng)扇（風(fēng)扇1）工作；
• 工況四：僅噴嘴處風(fēng)扇（風(fēng)扇2）工作。
  

四種工況所對應(yīng)的溫度分布云圖分別在圖5中展示。

圖4 初始溫度分布

圖5 噴頭內(nèi)部及周圍流場的溫度分布圖

a. 工況一 b. 工況二 c. 工況三 d. 工況四

通過圖5中各個工況的結(jié)果對比可知，噴頭中的兩風(fēng)扇起著至關(guān)重要的散熱作用。兩加熱塊不僅將熱量向下傳導(dǎo)至噴嘴方向，同樣將熱量向上傳導(dǎo)，使得加熱塊上部的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周圍空氣溫度，僅憑散熱片周圍的自然對流很難將其冷卻至室溫。

而散熱片處的風(fēng)扇二促進(jìn)溫度較低的室溫氣體在散熱片附近流動，形成強制對流，進(jìn)而促進(jìn)散熱片的冷卻。相似的，噴嘴附近的風(fēng)扇一也通過在噴嘴頂端區(qū)域的強制對流使噴嘴下部氣體區(qū)域降溫，因此對于現(xiàn)有噴嘴結(jié)構(gòu)，兩風(fēng)扇的設(shè)計應(yīng)保留。

在確定了風(fēng)扇的設(shè)計后，現(xiàn)在通過計算來確定加熱塊對料材傳熱散熱的影響。相似的，在兩風(fēng)扇均工作的情況下，現(xiàn)對上部喉管附近加熱塊1分別進(jìn)行工作（恒定高溫）與不工作（不做特殊設(shè)置）的設(shè)定。當(dāng)加熱塊1工作時，其設(shè)置同工況1。當(dāng)加熱塊1不工作時命名為工況五。以上兩種工況的溫度分布云圖對比如圖6所示。

圖6 噴頭內(nèi)部及周圍流場的溫度分布圖

a. 工況一 b. 工況五

通過圖6的對比可知，兩工況下輸料管溫度的主要差異體現(xiàn)在加熱部件6的中部與上部。為更清晰的定位此區(qū)域，圖7展示了兩工況中輸料管內(nèi)部中線的溫度隨位置變化的曲線。橫坐標(biāo)為噴頭沿輸料方向的坐標(biāo)（mm），縱坐標(biāo)為相應(yīng)的溫度（oC）。

圖7 一個加熱塊與兩個加熱塊工作情況下輸料管內(nèi)溫度對比

就加熱塊1附近區(qū)域的散熱情況而言，僅加熱塊2加熱的情況優(yōu)于兩加熱塊均工作的情況。均處于高溫的兩加熱塊均工作使喉管附近料材高于玻璃化轉(zhuǎn)化溫度，造成料材提前軟化，不利于料材的順利擠出，因此，為提高此區(qū)域的散熱速率，建議將發(fā)熱加熱塊2替換為導(dǎo)熱系數(shù)低的隔熱材料。

—作者—
張亦舒
安世亞太增材設(shè)計仿真部流體咨詢工程師，美國Colorado State University環(huán)境工程學(xué)士，環(huán)境流體力學(xué)碩士。參與國內(nèi)外多個工程項目，專長紊流仿真模擬，傳熱分析等。在3D打印機機型方面，對FDM與DMD機型均有仿真計算經(jīng)驗。