FDM型3D打印機噴頭溫度場仿真

呂蒙，牛晨旭，楊辰飛

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FDM型3D打印機噴頭溫度場仿真

呂蒙，牛晨旭，楊辰飛

（鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州 451460）

FDM型3D打印機通過熔融沉積的方式打印成型，打印過程中噴頭部分的溫度場受結構設計和冷卻系統影響，在打印過程中易出現溫度分布不均勻的現象，進而出現堵料問題，影響打印過程正常進行。利用CAE溫度場仿真軟件對FDM型3D打印機噴頭三維模型進行溫度場仿真，得出3D打印機噴頭加熱塊、噴嘴以及喉管和散熱鋁塊的溫度場分布。根據溫度場仿真結果，為噴頭冷卻系統的設計和優化提供理論依據，進而提高FDM型3D打印機的打印連續性、效率以及打印工件的表面質量。

FDM；3D打印機；CAE；溫度場仿真；噴頭

FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積制造）型3D打印機，由于結構簡單、成本低且環保性能優良，并能適應多種材料的打印成型，目前已在3D打印領域中被廣泛應用[1]。但FDM型3D打印機采用熔融沉積的材料累加原理，其打印成型的關鍵部件之一為打印熱噴頭[2]，噴頭結構中喉管的冷卻不足和噴嘴的冷卻過度均會造成打印過程的堵料問題，影響打印機工作穩定性、打印質量和打印效率[3]。

在FDM型3D打印機設計過程中，首先對噴頭機械結構進行三維建模，并利用CAE溫度場仿真工具對噴頭的冷卻系統進行數據模擬，進而得出噴頭三維模型的溫度場仿真結果[4]。通過對比不同冷卻條件下噴頭關鍵部件的溫度場仿真結果，驗證3D打印機冷卻系統的可行性和可靠性，并得出優化設計方案，解決FDM型3D打印機噴頭堵料的問題，保證打印過程連續性，提高打印效率和工件的打印質量。

1 3D打印機噴頭結構建模

通過三維制圖軟件對3D打印機的熱噴頭結構進行三維建模。圖1為FDM型3D打印機雙噴頭三維模型，包括一個散熱鋁塊，兩組對稱的不銹鋼喉管、鋁質加熱塊、加熱棒和銅質噴嘴[5]。雙噴頭3D打印機具有兩套互相獨立的喉管、加熱棒、加熱塊和噴嘴，其中加熱棒、加熱塊、噴嘴和喉管的下半部分為熱噴頭的熱區，打印時可獨立控制兩個加熱棒對兩個獨立的加熱塊和噴嘴進行加熱，進行兩種不同顏色材料進行混色打印，也可對兩種不同材質的材料進行拼接打印[6]。

圖2為3D打印機熱噴頭剖視圖，其中噴嘴通過螺紋與加熱塊連接；喉管下半部分通過螺紋與加熱塊連接，喉管底端面與噴嘴上端面緊密貼合，喉管與噴嘴均為中空結構，中間有用于傳送打印材料的通孔；加熱塊中加熱棒產生的高溫通過加熱塊傳遞給噴嘴和喉管；喉管上半部份嵌入散熱鋁塊并通過導熱硅脂與之大面積接觸用于傳導喉管的熱量[7]。

圖1 噴頭三維模型

圖2 噴頭剖視圖

打印過程中，熱區集中于喉管下半部分，通過喉管向上傳導的熱量需要通過具有強迫風冷能力散熱鋁塊及時散發，避免喉管上半部分出現高溫導致打印材料提前軟化而造成的堵料現象[8]。同時噴嘴下方施加有冷卻氣流，用于對噴出的熱熔材料進行降溫，設計時應將該冷卻氣流對噴嘴的溫度影響盡量降低，避免噴嘴溫度過低造成的堵料現象。

2 打印機噴頭溫度場仿真

將FDM型3D打印機熱噴頭的三維模型導入CAE軟件進行靜態溫度場仿真，通過設置散熱片冷卻條件和噴出材料冷卻條件，對喉管上半部分和噴嘴的溫度進行求解，驗證上述兩種冷卻方案的可行性。仿真步驟如下[9]：

（1）新建求解工程，選擇Steady State Thermal（靜態溫度場求解）模式；

（2）將三維軟件中建立的三維模型以igs或step等兼容格式導入仿真軟件中；

（3）將各部件設置為相對應的材料，如表1，不同材料對應不同的導熱率等熱力學參數[10]。

表1 各部件材料

（4）加熱棒為熱噴頭仿真模型中的熱源，根據3D打印機的實際運行參數，在加熱棒表面添加恒定溫度210℃（FDM型3D打印機打印PLA材料的溫度一般為205～215 ℃）；

（5）噴頭結構是由不同實體零件構造的裝配體，實體間的接觸面選擇自動創建，因此零件之間會根據導熱率的不同發生不同程度的理想熱傳導。

（6）對散熱塊表面進行空氣對流和強迫風冷設置不同對流換熱系數，空氣自然對流換熱系數為5～25 W/(m2·K)，氣體強制對流換熱系數為20～100 W/(m2·K)。

本算例的目標結果為散熱片、喉管和噴嘴的溫度場分布，因此添加溫度選項，然后進行求解，計算結束后即可查看溫度分布圖。

3 溫度場仿真結果

3.1 散熱片及喉管自然冷卻溫度仿真分析

首先將兩個加熱棒均設置恒定溫度210℃，設置所有組件在空氣中，添加空氣自然對流系數12.5 W/(m2·K)[11]，查看各組件自然導熱過程溫度分布，如圖3所示。其中噴嘴和加熱棒部分溫度在204～210 ℃之間，喉管是噴頭部分的關鍵連接件，其溫度由下至上變化范圍為204～156 ℃。已知，喉管上半部分溫度達到150℃及以上則可能會造成PLA材料提前軟化，軟化的PLA材料在喉管內下行阻力增大，造成材料在喉管內堵塞，進而導致打印中斷。因此，自然冷卻方式不滿足散熱片和喉管的散熱要求。為保證PLA材料在喉管內保持固體狀態，需增加強迫冷卻裝置降低喉管溫度。隨著打印材料穿過喉管向噴嘴運動，溫度升高，材料在達到或高于175℃時發生熔融，打印材料通過喉管下半部分至噴嘴的過程中由固態逐步加熱變成流體狀態，最終由噴嘴噴出。

3.2 散熱片及喉管強制冷卻溫度仿真分析

為避免打印機遠程送絲機構輸送的打印材料在喉管上半部分發生提前軟化現象，在散熱塊表面增加強迫風冷裝置，使喉管上半部分溫度保持在60℃以下。按照強迫風冷對流系數，模擬散熱裝置的對流系數，在散熱塊的散熱表面增加強迫風冷對流系數100，得到溫度分布如圖4。在增加散熱塊表面的強迫風冷裝置后，改變了對流系數，使散熱片的熱量能夠及時散發，喉管上半部分溫度降至42℃，保證材料在喉管以上部分不發生軟化，以原有固體狀態進入喉管并順利向下運行至噴頭的加熱區域。

3.3 打印平臺風冷對噴嘴溫度分布影響

打印過程中，PLA材料通過喉管后，到達噴嘴時達到熔融溫度，打印材料由固態轉變 為流體狀態并經由噴嘴噴出到打印平臺上。為了保證打印工件的表面質量和打印效率，需對平臺上已沉積的材料進行強迫風冷，保證下一層材料噴出前，前一層沉積材料已充分冷卻并恢復固態[12]。

噴頭工作過程中，噴嘴初始狀態與平臺間垂直距離在0.05～0.2 mm，噴嘴與已成型打印零件的上表面沉積材料的垂直距離同樣為0.05～0.2 mm，由于噴嘴與已噴出的沉積材料距離過近，故在對已噴出材料進行強制冷卻時，噴嘴部分亦會受到冷卻氣流的影響。因此，在噴嘴下方增加強迫風冷對流系數進行溫度仿真，該對流系數用于模擬沉積材料的強迫冷卻氣流對噴嘴的影響，仿真結果如圖5所示。

圖3 自然冷卻時溫度分布

圖4 強迫風冷時溫度分布

圖5 噴嘴下方強迫風冷溫度分布

根據仿真結果，在增加模擬冷卻氣流后，噴嘴溫度仍能保持在210℃左右，因此，對已噴出沉積材料的強迫風冷氣流對噴嘴的溫度沒有太大影響，故不會影響PLA材料在噴嘴內由固態到流體狀態的轉變過程，能保證材料順利由噴嘴噴出并沉積到打印平臺上進行零件成型。

4 結論

通過對FDM型3D打印機熱噴頭結構三維建模和關鍵部件進行溫度場仿真分析，得出以下結論：

（1）作為噴頭結構中重要的連接部件，喉管上半部分所連接的散熱片增加散熱裝置進行強迫風冷，可有效降低喉管以上部件的溫度，保證PLA材料以原有固態順利進入下方噴嘴，避免了在喉管中出現材料的提前軟化、堆積和堵塞的故障；

（2）為保證零件的打印質量和打印效率，需要對噴嘴已噴出材料進行強迫風冷，該冷卻氣流不影響噴嘴的溫度，避免噴嘴溫度降低造成材料堵塞的可能。

綜上所述，對FDM型3D打印機噴頭的溫度場仿真，能夠驗證打印機噴頭的結構設計和噴頭的冷卻方法設計的合理性和可靠性，同時為打印機噴頭的結構設計和噴頭的冷卻方法設計提供理論指導和依據，縮短樣機研發、設計周期，降低實驗驗證成本。

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The Temperature Field Simulation of FDM 3D Printer Nozzle

LV Meng，NIU Chenxu，YANG Chenfei

( Zhengzhou Railway Vocational & Technical College, Zhengzhou 451460, China )

In the printing forming process of FDM (Fused Deposition Molding) 3D printer, the temperature field of printer nozzle is affected by the design of the structure and the cooling system. The FDM 3D printer nozzles tend to have the problems of uneven distribution of temperature and plugging material, which will influence the normal printing process. The temperature field of FDM 3D printer was simulated by using CAE temperature field simulation software. Therefore, the temperature field distribution of nozzle heating block, nozzle and throat tube, and cooling aluminum block is obtained. The simulation results of temperature field provides the theoretical basis for designing and optimizing sprinkler cooling system, which can also improve the printing continuity, efficiency and surface quality of FDM 3D printers.

FDM；3D Printer；CAE；temperature field simulation；nozzle

TH164

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.007

1006－0316 (2018) 07－0028－04

2018－02－01

2016年鄭州鐵路職業技術學校教科研基金項目（2016JKY019）

呂蒙（1991－），男，河南泌陽人，碩士研究生，助教，主要從事機械電子工程相關專業研究與教學工作。