解析3d 打印喷头的热力学分析与结构优化设计.pdf

解析3D 打印喷头的热力学分析与结构优化设计 目前3D打印技术广泛应用在珠宝首饰、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航天、 牙科和医疗产业甚至美食等不同领域。熔融沉积造型 （FDM）3D增材打印技术作为 3D打印的主要方式，具有可制作零部件品种多、改型快、可以彩色成型的优点， 但是，目前熔融沉积造型3D打印喷头仍存在打印表面质量和打印精度达不到工业 要求以及打印头制造成本高的缺陷。针对上述问题，本文通过研究3D打印喷头的 热合理性，对其热量分布和温度场作相应分析，进一步优化设计3D打印喷头的结 构，使其在提高打印表面精度的同时制造成本也大大降低。 1 熔融沉积造型3D打印喷头工作原理 3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增 加材料来生成三维实体的技 术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称添加制造。熔融沉积造型采用热熔 喷头，使处于半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤压并堆积在指定的位 置凝固成原型，逐层挤出堆积，凝固后形成整个原型或零件。其组成系统包括：高 精度机械系统、数控系统、喷射系统、成型环境等。本文所研究内容主要涉及喷射 系统。基于熔融沉积制造技术的3D打印机喷头的工作原理如图1所示， 3D打印机喷头由定位区、进给区、熔丝区和增材区组成。定位区作用是使丝 料初定位，让丝料能准确流畅地进入进给区；进给区由主动齿轮和从动轴承轮组成， 两轮中间保持特定的间隙，间隙大小值要足以使丝料在两轮的夹紧摩擦力F作用下 向前稳定运动；熔丝区由喉管通道、稳定架、隔热层和加热块组成，在此处未熔化 的丝料和熔融状的丝料在通道中形成活塞作用，迫使丝料从喷嘴喷出；增材区由喷 嘴、工作台和工件组成，在增材打印过程中，X、Y方向由喷头运动控制，Z方向即 每层打印厚度由工作台上下运动控制。从其原理可知，造成打印表面精度差的原因 在于喷头在X、Y 向的运动，本文不研究控制喷头运动的电机精度和丝杠传动精度 等因素，而从喷头由于加热块高温引起的在X、Y 向变形量展开研究，进而为优化 改进喷头机构提供理论依据。 2 仿真分析 2．1 喷头几何模型建立及边界条件设置 3D打印喷头主要采用三种材料：铝、铜、铁，从ANSYS 自带的工程材料数据 库中依据零件的要求，选 择相应的材料AluminumAlloy （铝）、CopperAlloy （铜）、StructuralSteel （铁），在热分析中主要涉及材料的热导率、比热容、 辐射系数等，由于本文计算模型的结构都不是太复杂，同时计算温度场的面积又比 较大，所以选择结构化网格进行划分。由于喷嘴、喉管及加热块部分相对于整体温 度场域，面积较小，所以在喷嘴、喉管、加热块区进行网格细分，可以保证较高的 计算精度。边界条件设置：热分析中的边界条件包括温度、对流、辐射等，针对本 文3D打印机的工作环境 （打印ABS件），选择加热块加热处为300℃温度边界， 电机底部为22℃边界，传热方式为接触面的热传导；选择稳定架和发热块的表面 为有热辐射表面，辐射系数为0．3，热传导系数由各部件材料决定，在ANSYS库 中可以添加。 2．2 分析热量分布和温度场对喷头变形的影响 根据上述研究，通过ANSYS软件进行仿真试验， 试验条件对试验结果的影响 分析如下。 2．2．1 温度分布对喷头变形的影响 从热膨胀原理知道，如果金属部件受热不均匀，两 侧温度上升不一致，当上 侧温度高于下侧时，金属部件上侧的膨胀量大于下侧的膨胀量，从而使金属部件向 下弯曲，产生了热变形。热膨胀即材料因其固有的热膨胀率而产生的体积变化，它 是膨胀产生的最主要原因， 由热膨胀引起的膨胀量为： △L＝δ（L＋△／2）△t ［8］ （1）式中：δ为材料的线膨胀系数，℃－1；L为零件X、Y方向的尺寸， mm；△t为温差，℃；△为制件的公差，mm （按 留有加工余量进行取大补偿）。 由图1知，3D打印喷头的误差敏感方向是在X轴和Y轴方向上，即在这两个方向 上的变形将直接影响喷头的打印精度。3D打印喷头的稳态温度分布场仿真结果如 图2所示， 图2 （a）表示喷头的温度场分布云图，图2 （b）表示喷头的总变形图。总结 图2可得表1所示的数据。其中，重要部件电机上的温度最高达到238℃，这对电 机的工作性能和寿命影响很大。总结表1，根据热膨胀变形规律可以得出，此种结 构的喷头存在明显的温度差，导致稳定架和散热片在喷头打印敏感方向上产生热变 形，由图2 （b）可以看出，最大变形量发生在稳定架上，其在X方向上的变形量 最大，达到了0．