粉體喂料3D打印機噴頭裝置的溫度分析及優化設計

汪傳生，王虎子，蔡 寧，晁宇琦，李紹明，胡紀全

(青島科技大學機電工程學院山東省高分子材料先進制造技術重點實驗室，山東 青島 266061)

0 前言

全球工業正在經歷第三次工業革命，而3D打印技術是第三次工業革命的重要標志。3D打印技術是一種新興的快速成型的先進制造技術，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構造物體的技術[1]；目前應用較廣的3D打印技術的材料包括石膏、光敏樹脂、塑料和金屬材料等[2-3]，但由于目前金屬3D打印技術還不太成熟，且成本太高，在一定程度上限制了金屬3D打印技術的發展和應用。青島科技大學彈性體3D打印創新中心(簡稱為“創新中心”)研發了一種適用范圍較廣的低成本金屬3D打印方法，即金屬 - 高分子材料載體混合物3D低溫打印技術。在3D打印機中，噴頭裝置是極其重要的組成部分，熔體從噴頭裝置擠出成型，噴嘴處的溫度可近似地看成穩態時流經噴嘴處熔體的溫度，如果噴嘴處的溫度較低，將會影響熔體的流動性，進而造成制品成型質量的不穩定。因此，保證3D打印機中噴頭裝置噴嘴處的溫度和熔體溫度相一致對制品的成型至關重要。

聚合物從制備到加工成型，分子運動隨溫度的變化而發生變化[4]。創新中心在長期的實驗中發現，聚合物成型制品的表面質量有時不穩定，可能是因為噴嘴處的溫度低于熔體溫度所致。本文采用3D軟件SolidWorks繪制噴頭裝置的模型，并將其導入到有限元分析軟件Ansys的熱力學分析模塊中，得到整個噴頭的溫度分布，發現噴嘴處溫度低于熔體溫度；基于此，創新中心利用集機械結構設計和產品配方研發為一體的實驗平臺，對噴頭裝置的結構進行了優化設計，并利用有限元軟件進行了分析和實驗驗證。

1 粉體喂料3D打印機的工作原理

一臺完整的3D打印機主要包括高精度的機械系統、數控系統、擠出系統和成型系統。由圖1可知，粉體喂料3D打印機通過螺桿轉動建立的聚合物熔體輸送壓力使熔體快速擠出噴嘴，物料從喂料口進入，在加熱系統和螺桿的作用下熔融，由螺桿不斷的輸送到噴頭裝置，進而擠出成型。熔體從噴頭到噴嘴的溫度要保持一致，才能夠更好地保證制品成型質量的穩定性和可靠性。

2 模型建立

2.1 物理模型的建立

有限元分析軟件Ansys能夠與SolidWorks軟件建立無縫連接，且通過SolidWorks軟件繪制出噴頭裝置的模型。噴頭裝置上包括1個熔體壓力傳感器，2個通氣孔，3個排氣孔，6個加熱部件，其裝置模型如圖2所示。

圖2 噴頭裝置模型圖Fig.2 Model diagram of the nozzle device

2.2 有限元模型的建立

有限元的網格劃分是進行有限元數值模擬分析十分重要的一步，它將影響數值計算的準確性[5]。網格劃分的目的是使模型實現離散化，并用適當數量的網格單元得到較為精確的解。圖3所示為噴頭裝置網格劃分的具體情況，其生成的節點數量為261 902，單元替的數量為174 857。在Ansys軟件中的熱力學分析的邊界條件為： 3D打印使用的物料在170 ℃時具有較好的熔體流動性，因而設定從螺桿輸送過來的熔體溫度為170 ℃；且在整個過程中會涉及到傳導、對流和輻射作用，故在穩態時設定噴頭裝置內部流道的溫度就是熔體的溫度，為170 ℃，外部室溫為22 ℃，噴頭裝置與外部的對流換熱系數為50 W/(m2·℃)。

圖3 噴頭裝置網格劃分Fig.3 Mesh division of the nozzle device

2.3 數學模型的建立

熱力學分析需要涉及到3種基本產熱的方式，即熱傳導、熱對流及熱輻射[6]。

熱傳導遵循傅里葉定律:

(1)

式中qn——熱流密度，W/m2

k——熱導率，W/(m· ℃)

熱對流滿足牛頓冷卻方程：

qn=h(Ts-Tb)

(2)

式中h——對流換熱系數，本文中h=50 W/(m2·℃)

Ts——固體的表面溫度， ℃

Tb——周圍流體的溫度， ℃

熱輻射采用斯蒂芬 - 玻爾茲曼方程來計算；

(3)

式中q——熱流率，W

ε——輻射率，絕對黑體的ε=1

σ——黑體輻射常數，σ≈5.67×10-8W/(m2·K4)

A1——輻射面1的面積， m2

F12——由輻射面1到輻射面2的形狀系數

T1——輻射面1的絕對溫度， ℃

T2——輻射面2的絕對溫度， ℃

穩態熱力學分析的一般方程如式(4)：

[K]{I}={Q}

(4)

(a)噴頭裝置的穩態溫度分布圖 (b)探針標記溫度圖4 噴頭裝置的穩態溫度分布及探針標記溫度示意圖Fig.4 Steady-state temperature distribution and probe labeling temperature diagram of the nozzle device

式中 [K]——傳導矩陣，包括熱導率、對流系數、輻射系數和形狀系數

{I}——節點的溫度向量

{Q}——熱流向量，包含熱生成

3 噴頭裝置的溫度分析及優化設計

3.1 噴頭裝置的溫度分析

Ansys軟件的熱力學分析可計算模型內的溫度分布以及熱梯度、熱流密度等物理量[7]。其噴頭裝置的穩態溫度分布如圖4(a)所示，為了更加明顯的表示熔體從進入噴頭裝置到擠出時的溫度，可利用Ansys軟件里面的探針功能，標記出熔體進入噴頭裝置的溫度和噴嘴處的溫度，如圖4(b)所示。

由圖4(a)可知，噴頭裝置有明顯的溫度分布，并通過圖4(b)的探針標注，熔體進入噴頭流道的溫度為170 ℃，熔體在噴嘴擠出時的溫度為164.11 ℃，低于熔體溫度。青島科技大學3D打印研發中心使用的材料有些是自主研發的，這些材料是金屬粉末和黏結劑的混和顆粒，材料熔體對溫度的敏感性較大。噴嘴處熔體溫度的下降，影響了熔體物料的流動性，會出現一些誤差，誤差不斷地積累，將導致產品成型質量的降低。3D打印技術要求的精度較高，這種情況需要改善和優化。

3.2 噴頭裝置的優化設計

噴頭裝置噴嘴處的溫度可近似的認為是流經噴嘴處熔體的溫度，為保持熔體進入噴頭裝置和由噴嘴擠出時的溫度一致，需要對噴頭裝置的結構進行優化設計，在長期的實驗中，創新中心總結出優化前噴頭裝置上的通氣孔和排氣孔在實際應用中的實用性并不大，因此噴頭裝置在優化設計時去掉了通氣孔和排氣孔；同時為解決噴嘴處溫度下降的問題，在噴嘴處增加1個環形的電阻加熱元件，相當于在打印機原有的2處加熱裝置上又增加了1個加熱元件，其優化后的噴頭裝置的結構如圖5所示。

圖5 優化后噴頭裝置Fig.5 The optimized nozzle device

3.3 優化后噴頭裝置的溫度分析

優化前的產品：(a)葉輪 (c)棒材優化后的產品：(b)葉輪 (d)棒材圖8 噴頭裝置優化前后2種打印產品的實物圖Fig.8 Pictures of 2 kinds of printed parts before and after the optimization of the nozzle device

將優化后的噴頭裝置重新導入到有限元軟件Ansys中，進行網格劃分，劃分的設置方法和優化前的噴頭裝置的網格劃分方法相同，優化后噴頭裝置的網格劃分如圖6所示。為保證從噴嘴處擠出的熔體溫度為170 ℃，采用的方式是在噴嘴處加上一個環形的加熱電阻。在Ansys熱力學分析模塊中，根據噴嘴處熔體的溫度，通過不斷地模擬和實際實驗得出，加在環形加熱電阻上的最佳溫度為175 ℃，其余的溫度設置與優化前噴頭裝置的設置相同，優化后噴頭裝置的穩態溫度分布如圖7所示。

圖6 優化后噴頭裝置的網格劃分Fig.6 Mesh division of the nozzle device after optimization

圖7 優化后噴頭裝置的溫度分布Fig.7 Temperature distribution of the nozzledevice after optimization

通過圖7可知，優化后進入噴頭裝置的熔體溫度為170 ℃，噴嘴處的熔體溫度為170.15 ℃，基本一致，能夠保證熔體溫度的穩定性和材料的流動性，產品具有更好的成型質量。

4 噴頭裝置優化前后的實驗驗證

金屬低溫3D打印成型方法是創新中心的重點研究方向之一，通過自主研發的粉體喂料3D打印機打印成型金屬毛坯，其材料是由不銹鋼金屬粉末和黏結劑組成。創新中心為了驗證噴頭裝置優化的實用性，分別使用優化前后的噴頭裝置打印產品，通過產品表面質量的好壞，來驗證優化后噴頭裝置的實用性。打印的產品有2種，即葉輪和棒材。

通過觀察圖8制品的表面成型質量，發現優化后的噴頭裝置打印出的制品的表面質量優于優化前噴頭裝置打印出的制品，同時也驗證了有限元分析軟件Ansys的可靠性，證明了優化后的噴頭裝置具有更好的實用效果。

5 結論

(1)利用有限元分析軟件Ansys對粉體喂料3D打印機的噴頭裝置做溫度分析，發現現有的噴頭裝置物料進入噴頭裝置的溫度是170 ℃，從噴嘴處擠出的溫度是164.11 ℃；參照有限元分析結果，在噴嘴處增加一個環形的加熱電阻，此時熔體從噴嘴處擠出的溫度是170.15 ℃，解決了物料流經噴頭裝置溫降的問題，有效提高了制品的成型質量；

(2)實驗驗證了Ansys軟件的可靠性，優化后的噴嘴裝置具有更好的實用性。

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