打印溫度對3D打印噴頭流場的影響

【摘 要】ABS材料在熔融擠壓工藝3D打印過程中，打印材料從固態(tài)轉(zhuǎn)換到液態(tài)再轉(zhuǎn)換到固態(tài)，層與層之間的粘結(jié)依靠相變的時(shí)間差來實(shí)現(xiàn)。熔體在流動(dòng)過程中的所受的溫度、壓力以及速度等也同樣經(jīng)歷了復(fù)雜的變化。這些變化均在噴頭中完成，并直接影響到產(chǎn)品最終成型狀態(tài)和性能。本文主要研究了不同打印打印溫度的噴頭中打印材料的溫度、速度以及壓力的分布情況，從而對3D打印過程中的流道中的流場進(jìn)行詳細(xì)分析。

【關(guān)鍵詞】3D打印;FDM;噴嘴流場分析

1.確定噴頭流場的本構(gòu)方程

本構(gòu)方程是描述流體在流動(dòng)過程中的應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系。在3D打印過程中，打印材料會(huì)經(jīng)歷由固體到液體再到固體的變化過程，在該過程中聚合物會(huì)發(fā)生形變。流體的流動(dòng)行為通常可以分為牛頓流體和非牛頓流體。對于非牛頓流體模型，冪率模型粘度和剪切速率之間的關(guān)系表達(dá)式為

本文將采用冪率模型作為ABS材料的本構(gòu)方程。

2.確定噴頭流場的有限元分析方法

在3D打印過程中，噴嘴中的流體經(jīng)歷了復(fù)雜的變化，其流動(dòng)情況也極為復(fù)雜，通常需要借助有限元分析軟件來進(jìn)行計(jì)算。本文中將采用Fluent軟件對噴嘴中的流體進(jìn)行模擬仿真。該方法由于其計(jì)算效率較高，在近年來迅速發(fā)展。Fluent軟件計(jì)算結(jié)果可以達(dá)到二階精度，不同格式之間的區(qū)別主要在于其對流通量上。

3.確定分析流程

在分析噴嘴中流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常假設(shè)其為不可壓縮的非牛頓流體;同時(shí)假定在流道中的流體為穩(wěn)定層流場，也就是說流體只是沿著流道進(jìn)行流動(dòng)[1]。

本文首先采用三維建模軟件對噴嘴內(nèi)部形狀進(jìn)行尺寸繪制，并通過旋轉(zhuǎn)命令將二維模型轉(zhuǎn)換成三維模型，具體模型尺寸參考實(shí)際噴嘴形狀。然后將建立好的模型導(dǎo)入Fluent軟件中，采用該軟件自帶的劃分網(wǎng)格模塊對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對模型的材料參數(shù)以及邊界條件進(jìn)行設(shè)定，初始化流場，選擇求解方式，最后進(jìn)行求解。調(diào)用后處理結(jié)果從而得到在不同的打印條件下打印材料的溫度場、壓力場以及速度場的分布情況。針對結(jié)果進(jìn)行分析，期望能夠分析出打印溫度對噴嘴中熔體的溫度場、壓力場、速度場的影響。進(jìn)而得到，當(dāng)使用ABS材料作為打印材料時(shí)，最理想的打印溫度。

4.噴頭內(nèi)流體模型建立及分析

4.1建立模型并劃分網(wǎng)格

在采用Fluent進(jìn)行分析時(shí)，第一步是建立模型模擬噴嘴中流體的情況，在該步中可以采用Fluent自帶的前處理軟件建立模型，也可以采用其他軟件建立模型然后導(dǎo)入Fluent軟件中。本文采用的是NX12.0軟件建立模型。模型的格式為是stp格式，該格式可以直接導(dǎo)入Fluent軟件中劃分網(wǎng)格。模型如圖1-1所示。

4.3 定義材料參數(shù)及本構(gòu)模型

在建立好網(wǎng)格模型后，定義材料的參數(shù)屬性，ABS材料的參數(shù)[2]選取如下：密度=1030kg/m?，比熱容=2400J/（kg*℃），熱傳導(dǎo)系數(shù)=0.18W/（m*℃），泊松比=0.39冪率模型的表達(dá)式如式（1.1）所示。在不同溫度下，其粘度指數(shù)和冪律指數(shù)[3]如表1-1所示。

4.4 設(shè)置邊界條件并計(jì)算求解

所建立的噴嘴內(nèi)部流體模型中的邊界可以分為三類，一類為入口，在Fluent中通常設(shè)置為速度入口，在該邊界處，初始溫度設(shè)置為60℃，速度則視具體分析算例來定。第二類為壓力出口，在該出口處流體的法向和切向力分別為零;第三類邊界為噴頭壁，該邊界主要用來為打印材料加熱熔化，該邊界的邊界條件主要為速度沿著法向和切向均為零，溫度則根據(jù)具體分析案例來定。

選取了200℃、220℃和260℃等打印溫度來研究溫度對熔體流場的影響情況。計(jì)算算法上選擇了默認(rèn)方法，迭代步長選擇0.01s，迭代總次數(shù)為600次，即總共計(jì)算6秒。由迭代圖，可以看到當(dāng)?shù)螖?shù)為140次時(shí)，各項(xiàng)殘差均已收斂，且最大殘差小于10-3，可以認(rèn)為計(jì)算模型的收斂效果較好。

5.仿真模擬結(jié)果分析

5.1 溫度場模擬分布與理論影響因素分析

計(jì)算后如圖1-2給出了當(dāng)打印速度為V = 55 mm/s，打印溫度分別為200℃和260℃時(shí)打印噴頭中的溫度場分布情況。從圖中可以看出，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)后，采用不同的打印溫度時(shí)熔體的溫度場分布情況相同，但是溫度場中各點(diǎn)處溫度存在差異，當(dāng)打印溫度較高時(shí)，溫度場中各處的溫度隨之升高。然而需要注意的是，即使打印溫度為260℃時(shí)，噴嘴出口處截面上溫度分布仍然有所差異，截面中心的溫度和截面邊緣溫度差可以達(dá)到三十度左右，這些差異可能會(huì)直接影響著打印產(chǎn)品的機(jī)械力學(xué)性能。

圖1-3為在不同的打印條件下中心軸線上的溫度場變化情況。從圖可知，隨著距離噴嘴出口處越近，溫度的變化速率越慢。當(dāng)打印溫度為260℃時(shí)，噴頭出口處的溫度將近250℃，這已經(jīng)超過了ABS材料的分解溫度，因此不適合選用260℃的打印溫度來進(jìn)行打印產(chǎn)品。對于ABS材料，其理想使用溫度為190℃到230℃。從圖可以得出，采用打印溫度為220℃時(shí)，熔體在噴嘴出口處的溫度處于該理想范圍之內(nèi)。

5.2 速度場模擬分布與理論影響因素分析

圖1-4給出了在不同的打印溫度條件下，熔體在噴頭中的速度場分布情況。從圖中可以看出，改變打印溫度時(shí)，熔體的速度場幾乎不會(huì)發(fā)生變化，在出口處由于截面面積較小，因此速度較大。在流道內(nèi)，熔體的速度在各點(diǎn)處幾乎相同。

5.3 壓力場模擬分布與理論影響因素分析

圖1-5給出了當(dāng)打印溫度不同時(shí)的壓力場分布情況。從圖中可以看出，溫度不同時(shí)，壓力場的分布不同。當(dāng)打印溫度較低時(shí)，熔體的壓力較大。究其原因，這可能與熔體自身性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)溫度較低時(shí)，熔體的粘度系數(shù)較高。從表1.2可以看出，ABS材料在溫度為200℃時(shí)，其粘度系數(shù)為19950，是溫度為260℃時(shí)的1995倍。由于熔體粘度系數(shù)較高，因此熔體內(nèi)部的壓力較大。

6.本文小結(jié)

在本文中，選擇常用的冪率模型作為ABS打印材料的本構(gòu)方程。采用Fluent軟件對噴頭中熔體的溫度場、速度場以及壓力場進(jìn)行了分析。最后分析了打印參數(shù)中的打印溫度對熔體中溫度、壓力及速度的影響。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)打印溫度為260℃時(shí)，熔體在噴嘴處的溫度會(huì)超過ABS材料的分解溫度。當(dāng)采用200℃的打印溫度時(shí)，熔體的溫度將會(huì)低于理想的ABS材料使用溫度。選擇打印溫度為220℃時(shí)，即使采用較高的打印速度，熔體在出口處的溫度也處于該材料理想使用范圍之內(nèi)。因此在使用ABS材料作為打印材料時(shí)，推薦使用220℃的打印溫度。

參考文獻(xiàn)：

[1]方少文. 流體力學(xué)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)伽遼金有限元及其在建筑風(fēng)場中的應(yīng)用[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2017.

[2]賈永臻，廖敦明，陳濤，唐玉龍，張兆創(chuàng)，卿前云. 基于 Fluent 的 3D 打印 ABS 熔體熱流模擬分析[J]. 塑料. 2017，46（1）：61-68.

[3]Qaiser AA，Qayyum A，Rafiq R. Rheological Properties of ABS at Low Shear Rates：Effects of Phase Heterogeneity[J]. Malaysian Polymer Journ. 2009（4）：29-36.

作者簡介：

朱鳳波-（1985.12）女，漢族，山西人，碩士本科，中級工程師，研究方向：3d打印。

（作者單位：深圳技師學(xué)院）