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)計改進過程中有重要的指導性作用，使設(shè)計人員能夠更加細致的觀察打印機內(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)計中的應用案例分享，展現(xiàn)仿真在FDM機型設(shè)計改進過程中的價值。

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。
  

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)果不能達到對熱量的精準控制，使噴頭的導熱與散熱結(jié)構(gòu)配合不協(xié)調(diào)，進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)進行設(shè)計和改進來達到對料材狀態(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�，F(xiàn)有待分析的某型號噴頭周圍存在兩個散熱風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扇目的是促進噴頭上部的散熱，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（認為輸料管中的料材總為固態(tài)）。當噴嘴熱量達到穩(wěn)定后，通過對比打印料材的各項熱力學性質(zhì)來判斷打印絲材在對應位置的狀態(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進行計算。首先了解噴嘴的基本結(jié)構(gòu)后，對模型進行前處理網(wǎng)格質(zhì)量達標后導入FLUENT進行計算。

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)注噴嘴熱量達到穩(wěn)定后的溫度分布，進而對比打印料材的各項熱力學性質(zhì)來判斷打印絲材在對應位置的狀態(tài)，所以對初始化的模型進行穩(wěn)態(tài)計算。

計算過程針對風扇的功能進行分析，所以模擬了以下四種工況：

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

四種工況所對應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至噴嘴方向，同樣將熱量向上傳導，使得加熱塊上部的溫度遠遠高于周圍空氣溫度，僅憑散熱片周圍的自然對流很難將其冷卻至室溫。

而散熱片處的風扇二促進溫度較低的室溫氣體在散熱片附近流動，形成強制對流，進而促進散熱片的冷卻。相似的，噴嘴附近的風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)，兩風扇的設(shè)計應保留。

在確定了風扇的設(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，在兩風扇均工作的情況下，現(xiàn)對上部喉管附近加熱塊1分別進行工作（恒定高溫）與不工作（不做特殊設(shè)置）的設(shè)定。當加熱塊1工作時，其設(shè)置同工況1。當加熱塊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。橫坐標為噴頭沿輸料方向的坐標（mm），縱坐標為相應的溫度（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)境工程學士，環(huán)境流體力學碩士。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。