汪傳生，王虎子，蔡 寧，晁宇琦，李紹明，胡紀(jì)全

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院山東省高分子材料先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061)

0 前言

全球工業(yè)正在經(jīng)歷第三次工業(yè)革命，而3D打印技術(shù)是第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志。3D打印技術(shù)是一種新興的快速成型的先進(jìn)制造技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層堆疊累積的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)[1]；目前應(yīng)用較廣的3D打印技術(shù)的材料包括石膏、光敏樹(shù)脂、塑料和金屬材料等[2-3]，但由于目前金屬3D打印技術(shù)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(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。青島科技大學(xué)彈性體3D打印創(chuàng)新中心(簡(jiǎn)稱為“創(chuàng)新中心”)研發(fā)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(shù)。在3D打印機(jī)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(wěn)態(tài)時(shí)流經(jīng)噴嘴處熔體的溫度，如果噴嘴處的溫度較低，將會(huì)影響熔體的流動(dòng)性，進(jìn)而造成制品成型質(zhì)量的不穩(wěn)定。因此，保證3D打印機(jī)中噴頭裝置噴嘴處的溫度和熔體溫度相一致對(duì)制品的成型至關(guān)重要。

聚合物從制備到加工成型，分子運(yùn)動(dòng)隨溫度的變化而發(fā)生變化[4]。創(chuàng)新中心在長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，聚合物成型制品的表面質(zhì)量有時(shí)不穩(wěn)定，可能是因?yàn)閲娮焯幍臏囟鹊陀谌垠w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(dǎo)入到有限元分析軟件Ansys的熱力學(xué)分析模塊中，得到整個(gè)噴頭的溫度分布，發(fā)現(xiàn)噴嘴處溫度低于熔體溫度；基于此，創(chuàng)新中心利用集機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品配方研發(fā)為一體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)噴頭裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用有限元軟件進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 粉體喂料3D打印機(jī)的工作原理

一臺(tái)完整的3D打印機(jī)主要包括高精度的機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)和成型系統(tǒng)。由圖1可知，粉體喂料3D打印機(jī)通過(guò)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)入，在加熱系統(tǒng)和螺桿的作用下熔融，由螺桿不斷的輸送到噴頭裝置，進(jìn)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(zhì)量的穩(wěn)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(wú)縫連接，且通過(guò)SolidWorks軟件繪制出噴頭裝置的模型。噴頭裝置上包括1個(gè)熔體壓力傳感器，2個(gè)通氣孔，3個(gè)排氣孔，6個(gè)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(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析十分重要的一步，它將影響數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性[5]。網(wǎng)格劃分的目的是使模型實(shí)現(xiàn)離散化，并用適當(dāng)數(shù)量的網(wǎng)格單元得到較為精確的解。圖3所示為噴頭裝置網(wǎng)格劃分的具體情況，其生成的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為261 902，單元替的數(shù)量為174 857。在Ansys軟件中的熱力學(xué)分析的邊界條件為： 3D打印使用的物料在170 ℃時(shí)具有較好的熔體流動(dòng)性，因而設(shè)定從螺桿輸送過(guò)來(lái)的熔體溫度為170 ℃；且在整個(gè)過(guò)程中會(huì)涉及到傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射作用，故在穩(wěn)態(tài)時(shí)設(shè)定噴頭裝置內(nèi)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(duì)流換熱系數(shù)為50 W/(m2·℃)。

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

2.3 數(shù)學(xué)模型的建立

熱力學(xué)分析需要涉及到3種基本產(chǎn)熱的方式，即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射[6]。

熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律:

(1)

式中qn——熱流密度，W/m2

k——熱導(dǎo)率，W/(m· ℃)

熱對(duì)流滿足牛頓冷卻方程：

qn=h(Ts-Tb)

(2)

式中h——對(duì)流換熱系數(shù)，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(lái)計(jì)算；

(3)

式中q——熱流率，W

ε——輻射率，絕對(duì)黑體的ε=1

σ——黑體輻射常數(shù)，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(shù)

T1——輻射面1的絕對(duì)溫度， ℃

T2——輻射面2的絕對(duì)溫度， ℃

穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析的一般方程如式(4)：

[K]{I}={Q}

(4)

(a)噴頭裝置的穩(wěn)態(tài)溫度分布圖 (b)探針標(biāo)記溫度圖4 噴頭裝置的穩(wěn)態(tài)溫度分布及探針標(biāo)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(dǎo)矩陣，包括熱導(dǎo)率、對(duì)流系數(shù)、輻射系數(shù)和形狀系數(shù)

{I}——節(jié)點(diǎn)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(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 噴頭裝置的溫度分析

Ansys軟件的熱力學(xué)分析可計(jì)算模型內(nèi)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(wěn)態(tài)溫度分布如圖4(a)所示，為了更加明顯的表示熔體從進(jìn)入噴頭裝置到擠出時(shí)的溫度，可利用Ansys軟件里面的探針功能，標(biāo)記出熔體進(jìn)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(guò)圖4(b)的探針標(biāo)注，熔體進(jìn)入噴頭流道的溫度為170 ℃，熔體在噴嘴擠出時(shí)的溫度為164.11 ℃，低于熔體溫度。青島科技大學(xué)3D打印研發(fā)中心使用的材料有些是自主研發(fā)的，這些材料是金屬粉末和黏結(jié)劑的混和顆粒，材料熔體對(duì)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(dòng)性，會(huì)出現(xiàn)一些誤差，誤差不斷地積累，將導(dǎo)致產(chǎn)品成型質(zhì)量的降低。3D打印技術(shù)要求的精度較高，這種情況需要改善和優(yōu)化。

3.2 噴頭裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

噴頭裝置噴嘴處的溫度可近似的認(rèn)為是流經(jīng)噴嘴處熔體的溫度，為保持熔體進(jìn)入噴頭裝置和由噴嘴擠出時(shí)的溫度一致，需要對(duì)噴頭裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)中，創(chuàng)新中心總結(jié)出優(yōu)化前噴頭裝置上的通氣孔和排氣孔在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)用性并不大，因此噴頭裝置在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)去掉了通氣孔和排氣孔；同時(shí)為解決噴嘴處溫度下降的問(wèn)題，在噴嘴處增加1個(gè)環(huán)形的電阻加熱元件，相當(dāng)于在打印機(jī)原有的2處加熱裝置上又增加了1個(gè)加熱元件，其優(yōu)化后的噴頭裝置的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后噴頭裝置Fig.5 The optimized nozzle device

3.3 優(yōu)化后噴頭裝置的溫度分析

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

將優(yōu)化后的噴頭裝置重新導(dǎo)入到有限元軟件Ansys中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分的設(shè)置方法和優(yōu)化前的噴頭裝置的網(wǎng)格劃分方法相同，優(yōu)化后噴頭裝置的網(wǎng)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(gè)環(huán)形的加熱電阻。在Ansys熱力學(xué)分析模塊中，根據(jù)噴嘴處熔體的溫度，通過(guò)不斷地模擬和實(shí)際實(shí)驗(yàn)得出，加在環(huán)形加熱電阻上的最佳溫度為175 ℃，其余的溫度設(shè)置與優(yōu)化前噴頭裝置的設(shè)置相同，優(yōu)化后噴頭裝置的穩(wěn)態(tài)溫度分布如圖7所示。

圖6 優(yōu)化后噴頭裝置的網(wǎng)格劃分Fig.6 Mesh division of the nozzle device after optimization

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

通過(guò)圖7可知，優(yōu)化后進(jìn)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(wěn)定性和材料的流動(dòng)性，產(chǎn)品具有更好的成型質(zhì)量。

4 噴頭裝置優(yōu)化前后的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

金屬低溫3D打印成型方法是創(chuàng)新中心的重點(diǎn)研究方向之一，通過(guò)自主研發(fā)的粉體喂料3D打印機(jī)打印成型金屬毛坯，其材料是由不銹鋼金屬粉末和黏結(jié)劑組成。創(chuàng)新中心為了驗(yàn)證噴頭裝置優(yōu)化的實(shí)用性，分別使用優(yōu)化前后的噴頭裝置打印產(chǎn)品，通過(guò)產(chǎn)品表面質(zhì)量的好壞，來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化后噴頭裝置的實(shí)用性。打印的產(chǎn)品有2種，即葉輪和棒材。

通過(guò)觀察圖8制品的表面成型質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的噴頭裝置打印出的制品的表面質(zhì)量?jī)?yōu)于優(yōu)化前噴頭裝置打印出的制品，同時(shí)也驗(yàn)證了有限元分析軟件Ansys的可靠性，證明了優(yōu)化后的噴頭裝置具有更好的實(shí)用效果。

5 結(jié)論

(1)利用有限元分析軟件Ansys對(duì)粉體喂料3D打印機(jī)的噴頭裝置做溫度分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的噴頭裝置物料進(jìn)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(jié)果，在噴嘴處增加一個(gè)環(huán)形的加熱電阻，此時(shí)熔體從噴嘴處擠出的溫度是170.15 ℃，解決了物料流經(jīng)噴頭裝置溫降的問(wèn)題，有效提高了制品的成型質(zhì)量；

(2)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Ansys軟件的可靠性，優(yōu)化后的噴嘴裝置具有更好的實(shí)用性。

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