仿真計算在FDM 3D打印機的設計改進過程中的作用

魔猴君  行業資訊   2275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打印技術根據軟件預設的坐標擠出熱塑性塑料絲，自下而上逐層構建部件。這種打印技術主要以丙烯腈-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，適合辦公室環境；打印出的部件具有很好的耐熱性和化學強度；它可以實現傳統技術沒有辦法制造的復雜幾何形狀和內腔。

除此之外，FDM 3D打印技術免除了生產過程中繁瑣的工序，便于隨時更改設計，降低生產成本，極大縮短生產周期。綜上考慮，FDM 3D打印技術在眾多快速成型技術中有很好的發展前景，故對FDM 3D打印機型的設計研究很有必要。本文將結合某款打印機的待改進機型（重點討論噴頭部分），淺談此技術在機型設計中考慮的問題，以及仿真計算在問題改進過程中所起的作用。

圖片：德迪智能的MOIRA DF3桌面級3D打印機

FDM打印機設計的基本思路是在噴頭處對打印材料瞬間加熱使其軟化至粘流態，絲材擠出至底板上后冷卻成型，從而打印出部件。所以這個技術難點之一是噴頭處溫度的控制。針對這一設計中常見的問題有:

-加熱片至噴頭頂端區域由于散熱使材料提前凝固造成堵塞。

-加熱片以下區域，由于受熱溫度升高，使輸料管中材料彎軟影響擠料。

計算及結果：

針對以上問題，仿真計算可以：

1. 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的料材所處的狀態以及噴頭內溫度分布。

2. 對加熱和散熱結構進行設計和改進來達到對料材狀態的控制，例如加熱塊的溫度與尺寸，散熱片及風扇的結構等。

下面文章將針對以上兩點逐步介紹仿真計算的操作流程及初步結果。此次對噴頭的模擬計算選用ANSYS FLUENT１８.２進行計算。首先了解噴頭的基本結構后，對模型進行前處理網格質量達標后導入FLUENT進行計算。計算中的邊界條件設置如下所示：

圖1：邊界條件設置示意圖，來源：安世亞太。

這里我們重點關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域：

-噴頭頂端附近風扇形成的強制對流。

-上部散熱結構及風扇附近的強制對流（例如圖2中青色與紫色網格區域）。考慮到計算成本和結果精確度，此次仿真重點考慮這兩處流體區域對溫度分布的影響。

計算對固體與流體的溫度場均進行了模擬，固體之間的熱傳遞為熱傳導模型，以公式?T=Q/KA計算，其中K為傳熱系數，數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流，外部流場溫度取用腔體溫度。除此之外，噴頭及散熱片附近的流場模擬為強制對流，氣體入口為風扇，出口為流體域邊界的標準大氣壓壓強出口。流體計算域中的噴頭壁面溫度與流體域的計算耦合。

圖2：網格結構圖，來源：安世亞太。

上文中提到，仿真結果需要體現輸料管中的溫度分布，故在后續工藝時對輸料管的溫度隨位置變化的曲線進行展示如下。

圖3: 輸料管內溫度曲線，來源：安世亞太。

結合3D打印材料的熱力學性質可以得出打印料材在管內的各相分布及溫度分布，如下圖所示。通過調整一系列設計，使輸料管內的溫度達到預期數值。

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

總結來說，通過與物理實驗的結合，仿真計算在FDM機型的設計改進過程中有指導性的作用，它使設計人員更加細致的觀察打印機內部的特性變化，從而找到好的解決問題方案。同時，仿真計算避免了真實物理模型的建立，從而利于縮短研發周期。