連續(xù)纖維三維打印噴頭熱流仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

摘 要：針對(duì)連續(xù)纖維預(yù)浸絲打印過程中出現(xiàn)絲散和堵絲的現(xiàn)象，對(duì)典型熔融沉積噴頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。利用有限元對(duì)噴頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真建模，分析加熱塊的厚度、加熱塊頂層到散熱片底層之間喉管的長(zhǎng)度、散熱片長(zhǎng)度和散熱片直徑4個(gè)核心參數(shù)與噴頭結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布的關(guān)系模型。結(jié)果表明：通過降低加熱塊厚度和加熱塊頂層到散熱片底層喉管長(zhǎng)度，增加散熱片直徑，可提高散熱效率并減少打印所需壓力，解決連續(xù)纖維預(yù)浸絲打印過程中出現(xiàn)的絲散和堵絲問題。

關(guān)鍵詞：熔融沉積；連續(xù)纖維；噴頭；溫度場(chǎng)仿真

中圖分類號(hào)：TP391.9" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號(hào)：1671-5276（2024）05-0159-04

Thermal Flow Simulation and Structure Optimization of Continuous Fiber 3D Printing Nozzle

Abstract：The typical structure of a fused deposition nozzle is optimized to address silk scattering and clogging when printing continuous fiber prepreg filaments. Finite element technology is applied to conduct temperature field simulation modeling and analyze the relationship between the temperature field distribution of the printhead structure and four key parameters which embody the thickness of the heating block， the length of the throat between the top layer of the heating block and the top layer of the heat sink， the length of the heat sink， and the diameter of the heat sink. The results indicate that reducing the thickness of the heating block and the length of the throat between the top layer of the heating block and the bottom layer of the heat sink and increasing the diameter of the heat sink can improve heat dissipation efficiency， reduce printing pressure， and solve the problems of silk scattering and clogging during the printing process of continuous fiber prepreg filaments.

Keywords：fused deposition modelling；continuous fiber；nozzle；temperature field simulation

0 引言

三維打印連續(xù)纖維復(fù)合材料具有設(shè)計(jì)性強(qiáng)、比強(qiáng)度高、比模量高、抗斷裂能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于航空航天、車輛工程、醫(yī)療器械等領(lǐng)域［1-2］。

熔融沉積制造工藝（fused deposition modelling， FDM）是一種使用和維護(hù)簡(jiǎn)單、制造成本低的成熟打印工藝［3］。FDM工藝可使用纖維預(yù)浸絲體系的材料，通過電阻加熱的方式，將纖維預(yù)浸絲中的基體材料加熱至熔融狀態(tài)［4］，并借助纖維的牽引力和擠出機(jī)的擠出力從噴嘴處擠出成型。盡管FDM工藝使連續(xù)纖維打印具備了一定的優(yōu)勢(shì)，但打印過程中仍存在因散熱效果不佳而導(dǎo)致預(yù)浸絲堵塞噴嘴等問題，影響打印的穩(wěn)定性和質(zhì)量［5］。

很多學(xué)者對(duì)FDM技術(shù)噴頭結(jié)構(gòu)的冷卻和散熱問題進(jìn)行了研究。何昱煜等［6］研究了不同材料（鋁合金、不銹鋼、紫銅等）對(duì)噴頭溫度場(chǎng)分布的影響。王占禮等［7］通過對(duì)散熱片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，分析了鰭片式散熱片的散熱間距、厚度及數(shù)量對(duì)噴頭組件散熱性能的影響。于仙等［8］研究了不同散熱片形狀（葉片式、渦輪式、川式散熱片）對(duì)噴頭組件散熱效率的影響。但對(duì)于連續(xù)纖維打印噴頭工藝研究仍然不足。

本文對(duì)FDM設(shè)備的噴頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度場(chǎng)仿真，分析了不同參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響，提出了基于溫度場(chǎng)的噴頭優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，解決了FDM打印連續(xù)纖維的堵絲問題，提高了打印穩(wěn)定性和打印精度。

1 噴頭組件溫度場(chǎng)仿真模型

1.1 溫度場(chǎng)仿真原理

熱量的傳遞過程包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射3種形式［9］。研究表明：熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流對(duì)FDM工藝的噴頭溫度場(chǎng)分布的影響起主要作用，而熱輻射則可忽略［10］。因此，本文只考慮熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流對(duì)于噴頭組件溫度場(chǎng)分布的影響。

由Fourier傳熱定律和能量守恒定律可以建立傳熱問題的熱平衡方程，其穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的熱平衡方程如式（1）所示。

式中：T為溫度值；kx、ky、kz分別為沿x，y，z 3個(gè)方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Q為基材熔融過程中的相變潛熱，放熱為“-”，吸熱為“+”。

1.2 噴頭模型建立

本文以環(huán)氧樹脂E-20為基體材料，3k連續(xù)性碳纖維（中復(fù)神鷹SYT45）為增強(qiáng)相，組成預(yù)浸絲進(jìn)行打印。其中，基體材料在85℃以下為固體；150℃以上時(shí)，與固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，固化定型。故本文選取打印溫度為120℃進(jìn)行仿真優(yōu)化。如圖1所示，噴頭結(jié)構(gòu)由喉管、散熱片、加熱塊（圖1（b））、噴嘴（圖1（c））、加熱棒、特氟龍管組成。喉管的外部連接散熱片和加熱塊，其內(nèi)部嵌套有特氟龍管，下表面則與噴嘴的上表面接觸，加熱塊再將噴嘴連接起來并內(nèi)嵌加熱棒，整體的噴頭結(jié)構(gòu)便構(gòu)建完成，所組成的噴頭結(jié)構(gòu)其流道豎直向下，其直徑為2.0mm。其中噴嘴上部為M6外螺紋，進(jìn)口直徑為4.0mm，出口直徑為2.0mm。喉管內(nèi)徑為4.0mm。噴頭結(jié)構(gòu)加熱器件為圓柱體加熱棒，其直徑為6.0mm，長(zhǎng)度為20.0mm。

加熱塊和噴嘴需要足夠高的溫度以確保絲材中的樹脂完全融化至黏流態(tài)，使基材與纖維充分浸漬，保證打印工藝順利進(jìn)行。而散熱片區(qū)域需確保基體材料能快速冷卻至黏流溫度以下，以避免基體軟化而減弱其束縛纖維的作用，從而防止絲材松散和堵絲現(xiàn)象的發(fā)生。

由此可見，零件在豎直方向上的長(zhǎng)度對(duì)連續(xù)纖維的打印質(zhì)量起著重要的影響。如圖1（a）所示，加熱塊的厚度記為L(zhǎng)1；散熱片和加熱塊之間的喉管區(qū)域記為L(zhǎng)2；散熱片的長(zhǎng)度為L(zhǎng)3及直徑為D。其中，L1、L2、L3用于調(diào)節(jié)噴頭結(jié)構(gòu)豎直方向上的長(zhǎng)度，而D則影響散熱片的有效散熱面積。由于噴頭結(jié)構(gòu)內(nèi)部尺寸受絲材直徑及各組成零件相互配合的限制，難以調(diào)整尺寸，因此，本文將優(yōu)化噴頭外側(cè)的L1、L2、L3和D這4個(gè)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，初始值分別為10.0mm、6.4mm、27.0mm和18.0mm。裝配關(guān)系和其他尺寸作為約束條件。基于仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)出一種能夠高效散熱且不易堵絲的連續(xù)纖維打印噴頭。

2 噴頭結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)仿真優(yōu)化

噴頭結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)仿真需要將各零件設(shè)置相對(duì)應(yīng)的材料，不同零件對(duì)應(yīng)的材料和導(dǎo)熱率參數(shù)如表1所示。

對(duì)連續(xù)纖維進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真，受材料體系的影響，將加熱棒溫度設(shè)定為120℃。散熱片與空氣接觸部分為強(qiáng)制對(duì)流，對(duì)流換熱系數(shù)取70W/（m2·K）。其余組件與空氣接觸部位為自然對(duì)流，對(duì)流換熱系數(shù)為14.3W/（m2·K）。環(huán)境溫度為20℃。

由于加熱塊中心區(qū)域溫度最高，而散熱片底部翅片中心的溫度則接近噴頭組件的最低溫度，二者之間的區(qū)域亦可反映出噴頭組件的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，因此將該區(qū)域提取記為S1，如圖2所示。通過分析各組件幾何參數(shù)對(duì)S1處溫度場(chǎng)分布規(guī)律的影響，進(jìn)行噴頭優(yōu)化設(shè)計(jì)。

如圖3所示，L1尺寸在8～12mm時(shí)S1區(qū)域溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖3（a）所示，溫度場(chǎng)分布受其影響不大。由于加熱塊由熱導(dǎo)率大的鋁合金制造，因此厚度的變化不易改變加熱塊的溫度分布。因此，在不改變溫度場(chǎng)情況下，減小L1可以減少熔融區(qū)域，以防止堵絲。然而，加熱塊需要足夠的空間來安裝加熱棒，因此L1適當(dāng)減小2mm。

L2尺寸在4～15mm時(shí)S1區(qū)域溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖3（b）所示。隨著L2的增大，溫度線性下降的區(qū)域也增大，最低溫度降低，但下降速率降低。此外，絲材軟化區(qū)域越短，發(fā)生堵絲的可能性就越小，故應(yīng)在滿足散熱片底部溫度低于軟化溫度的條件下，盡可能減小L2，使噴頭組件同時(shí)具有高的降溫速率和短的軟化溫度區(qū)域，減少堵絲風(fēng)險(xiǎn)，確保3D打印穩(wěn)定性。

L3尺寸在22～30mm時(shí)的S1區(qū)域溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖3（c）所示，溫度場(chǎng)分布受其影響不大。但L3的尺寸會(huì)影響散熱片的片數(shù)，尺寸太小會(huì)導(dǎo)致散熱片的片數(shù)減少進(jìn)而散熱效率降低。當(dāng)L3減少3mm時(shí)，可保證散熱片片數(shù)不減少的同時(shí)，使噴頭結(jié)構(gòu)更加緊湊。

D尺寸在17～20mm時(shí)的S1區(qū)域溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖3（d）所示。隨著散熱片直徑D的增加，有效散熱面積增大，散熱效率提高，但受限于冷卻風(fēng)扇的尺寸，D一般不超過20mm。

根據(jù)上述分析可知，L1和L3選用8mm和24mm。而L2和D對(duì)溫度場(chǎng)的影響明顯，需要進(jìn)一步分析確定具體優(yōu)化參數(shù)。

對(duì)優(yōu)化前的噴頭組件進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，仿真結(jié)果如圖4（a）所示。其中，散熱片底部溫度為85.3℃，略高于基材軟化溫度。因此，可采用增加D或增加L2的方法，以降低散熱片底部溫度。但較小的L2則有利于打印穩(wěn)定性。綜合考慮后，將D增加至20mm。由圖3（d）可知，此時(shí)散熱片底部的溫度為73℃左右，低于軟化溫度近12℃。故此時(shí)可適當(dāng)減少L2的尺寸，以降低打印時(shí)絲材的軟化區(qū)域。當(dāng)L2為4.4mm時(shí)，效果較好。若L2進(jìn)一步減少，可能會(huì)出現(xiàn)散熱片底部溫度大于軟化溫度的現(xiàn)象。因此，優(yōu)化后D和L2的尺寸分別為20mm和4.4mm。對(duì)優(yōu)化后的噴頭進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，如圖4（b）所示。優(yōu)化后的噴頭組件散熱效率更高，最低溫度相對(duì)優(yōu)化前降低了11.5%，散熱片內(nèi)部溫度降到了85℃以下，基體不易在噴頭上端（散熱片區(qū)域）提前軟化而造成堵絲，保證了連續(xù)纖維打印的穩(wěn)定性。

3 噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 流場(chǎng)仿真分析

流場(chǎng)仿真相關(guān)參數(shù)的設(shè)置同溫度場(chǎng)一致，增加了連續(xù)纖維預(yù)浸料進(jìn)口速度，設(shè)置為6mm/s。噴嘴出口設(shè)置為表壓出口。

在流場(chǎng)仿真之前需要根據(jù)雷諾數(shù)Re確定黏性流體在流道中的流動(dòng)狀態(tài)，雷諾數(shù)的計(jì)算公式為

Re=ρvd/η（2）

式中：ρ為密度；v為速度；d為特征長(zhǎng)度，對(duì)于圓形管道取直徑；η為動(dòng)力黏度。

此處環(huán)氧樹脂密度取1 117kg/m3，進(jìn)口流速為6mm/s，對(duì)于特征長(zhǎng)度d取特氟龍管直徑2.0mm，η取120℃時(shí)環(huán)氧樹脂的黏度，為0.1Pa·s左右，此時(shí)Re=0.132 000，所以環(huán)氧樹脂在噴嘴里的流動(dòng)狀態(tài)為層流。

優(yōu)化前后的環(huán)氧樹脂在管道的壓力場(chǎng)結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

從圖5可以看出，優(yōu)化后的環(huán)氧樹脂流道相對(duì)于優(yōu)化前的環(huán)氧樹脂流道長(zhǎng)度有所降低，其進(jìn)入流道所需要的壓力也隨之降低，最大壓力降低了12%。在打印過程中，減少了連續(xù)纖維出絲所需的黏接力，出絲更加順暢。

3.2 試驗(yàn)樣件力學(xué)性能分析

按照仿真優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)了噴頭結(jié)構(gòu)并進(jìn)行連續(xù)纖維的打印。根據(jù)ASTM D3039拉伸樣件尺寸標(biāo)準(zhǔn)，拉伸試件尺寸為250mm×15mm×1mm，分別利用優(yōu)化前后的噴頭組件打印出拉伸樣件如圖6所示。而后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示。噴頭組件優(yōu)化后所制備的拉伸試樣，其軸向抗拉強(qiáng)度為1 217.5MPa。采用未經(jīng)優(yōu)化的噴頭組件所制備的拉伸試樣，其軸向抗拉強(qiáng)度只有995.4MPa。噴頭組件優(yōu)化后，所制備出的拉伸試樣，軸向拉伸強(qiáng)度提高了22%。這是因?yàn)楫?dāng)噴頭發(fā)生堵絲時(shí)，會(huì)導(dǎo)致纖維被拉斷，從而極大地?fù)p失了連續(xù)纖維的力學(xué)性能。此時(shí)，需要停止打印，清理噴頭，重新送絲。然而，由于無法精準(zhǔn)控制續(xù)打到絲材的斷裂處，樣件表面可能會(huì)出現(xiàn)凹坑，影響表面質(zhì)量。由于優(yōu)化后的噴頭組件堵絲次數(shù)明顯減少，故打印出的拉伸試件表面更加平整，拉伸強(qiáng)度更高。

4 結(jié)語

通過對(duì)三維打印連續(xù)纖維噴頭結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)仿真，可以得出以下結(jié)論。

1）加熱塊的厚度和散熱片的長(zhǎng)度對(duì)于噴頭組件溫度場(chǎng)分布影響較小。

2）加熱塊頂層到散熱片底層之間喉管的長(zhǎng)度越短降溫速率越高，線性降溫的長(zhǎng)度越短；反之，降溫速率越低，線性降溫的長(zhǎng)度越長(zhǎng)。散熱片的直徑越大，有效的散熱面積越大，散熱效率越高。

3）優(yōu)化后的噴頭組件相對(duì)優(yōu)化前最低溫度降低了11.5%，最高壓力降低了12%，降低了纖維堵塞噴嘴的風(fēng)險(xiǎn)，使打印出的拉伸樣件力學(xué)性能提升了22%。

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