陶瓷3D打印机喷头结构设计与仿真分析

陶瓷3D打印机喷头结构设计与仿真分析丁承君;吴畏;朱智辉【摘要】为了克服现有陶瓷打印喷头不能连续进料的缺点根据陶瓷3D打印机高精度和连续上料的要求，对陶瓷3D打印机的喷头挤出系统进行结构设计，提出一种可连续进料、持续打印的陶瓷3D打印机喷头挤出系统，并利用流体力学相关理论知识以及ANSYSFluent流体仿真软件对挤出过程进行数值模拟.仿真分析结果表明:喷头出口流速约为1.79mm/s,能够满足较高精度的打印需求;流体内部压强分布合理;关键部件螺杆受力在许用范围内;流体流线场光顺无交叉，在螺杆螺槽处能够顺畅流动.％Inordertoovercometheshortcomingsthattheexistingceramicprintheadscan'trealizecontinuousfeed,accordingtotherequirementofceramic3Dprinterforthehighaccuracyandcontinuousfeedstock,anewstructurefortheceramicnozzleof3Dprinterswasproposed,andthisnewstructurecanrealizecontinuousfeedandprint.TheextrudingprocesswassimulatedbyusingtheANSYSFluentsimulatingsoftwarebasedonthetheoryoffluidmechanics.Thesimulationanalysisresultsshowthattheexitspeedofnozzleis1.79mm/s,cansatisfytheneedsofhighprecisionprinting;internalfluidpressuredistributesreasonably;thescrewstressisreasonable;thestreamlinefieldissmoothandhasnocross,thefluidcanflowsmoothlyinthegrooveofscrew.【期刊名称】《天津工业大学学报》【年(卷)，期】2017(036)004【总页数】5页(P84-88)【关键词】3D打印;陶瓷打印;打印机喷头;挤出系统;结构设计;流体仿真【作者】丁承君;吴畏;朱智辉【作者单位】河北工业大学机械工程学院沃津300401;河北工业大学机械工程学院天津300401;河北工业大学机械工程学院，天津300401【正文语种】中文【中图分类】TP334.8;TH1223D打印技术作为一种新型的快速增材技术近几年发展极为迅猛，对于该技术在各种不同领域的探讨也逐渐增多.但目前的研究主要集中在陶瓷浆料的制备技术和挤压成型工艺的开发方面：刘洪军等［1］针对挤压成型技术，在水基陶瓷浆料的制备工艺和挤出工艺等方面进行了大量研究；郭树国等［2］对单螺杆挤出系统进行了研究，运用CFX对新型螺杆元件的流场运动规律进行了数值模拟，分析了宏观压力场、耗能以及挤出量等基本规律，但并未将其应用在陶瓷打印机领域；美国康涅狄格大学Shaw团队［3］对基于浆料微挤压成型技术的可行性进行了充分的试验和论证；何明腾等［4］运用CFX对活塞式泥料挤出机进行了数值模拟，确定了定型段长度、进口压力、挤出锥角等主要因素，对上述因素进行试验与分析，得到最优影响因素的组合方式，但仍然局限于活塞式挤出形式；河北工业大学周靖等［5-6］对活塞式挤出系统进行仿真分析与研究，利用流体分析软件对挤出头出口截面的流速和内部压力场进行数值模拟，对挤出头内部流道的几何形状进行设计，找出了4种不同内部流道的压力场和出口流速分布规律，但该结构形式仍未解决连续进料和持续打印的问题.很少有人从喷头的结构形式上进行创新性的研究.而现阶段的喷头挤出系统最大的问题是不能实现持续供料，只能打印料筒内一定量的浆料，打印完后要重新对料筒进行灌料，费时费力，并且挤出速率难以控制.为解决该问题，本文对喷头结构进行重新设计，研发出一款能够实现持续进料、连续打印的喷头挤出系统，并对设计的可行性进行仿真分析，验证设计思想的正确性.该挤出系统采用分离式可调速的设计思想，其结构形式如图1所示.该结构主要包括料筒、喷嘴、喷嘴连接件、螺杆、料筒上盖、轴承以及端盖.分离式是指喷头的各个部分通过螺栓进行连接，可单独更换其中的某一个零件，多个零件组合在一起构成喷头整体.可调速是指螺杆的上端与转动电机进行连接，浆料由进料口通过气压压入料筒，通过螺杆的旋转将其挤出，可通过调整螺杆的转速控制浆料的挤出速率.在该结构中，进料口与外接浆料泵连接，通过泵将浆料持续压入料筒；与此同时，通过螺杆的旋转作用，将持续进入料筒的浆料不间断的挤出，从而实现持续供料、不间断打印的目的.料筒内的浆料是通过螺杆的旋转依靠螺槽将其挤出的，因此对螺槽充满度［7-9］的研究是非常有必要的.在浆料挤出的过程中，螺杆的旋转和浆料的进入两者之间是互相独立的操作，加上装配条件对整机的影响，故通常情况下螺杆的螺槽是非充满的，因此便存在着充满程度的问题，充满程度同样会对挤出效果产生影响.为了描述挤出机螺槽的充满程度，现引入螺槽充满度£的概念［10-12］,其定义为：单位长度的部件上，物料占有的体积量与螺槽空腔的体积量之比或螺槽内被物料占有的面积与螺槽空腔时的面积之比，计算表达式为：式中：V1为单位长度部件螺槽中物料的体积（mm3）;V2为单位长度部件螺槽中自然空腔的体积（mm3）;A1为单位长度部件螺槽中物料的面积（mm2）;A2为单位长度部件螺槽中自然空腔的面积（mm2）.螺槽充满度还可用式（2）表示：式中：n为螺杆转速；V为螺槽体积；Q1为体积流率；Q2为质量流率；p1为物料密度.可见螺槽的充满度与螺杆转速、物料密度等有关，转速较低、密度较小更容易充满螺槽整个腔体，只有螺槽被完全充满，螺槽充满度才能等于1,一般情况下均小于1［13］.取螺杆与浆料啮合区的任意一点进行运动分析，啮合区螺槽中的物料一共有3个方向的速度［14-15］：沿螺槽切线方向的运动速度、沿螺杆周向的运动速度以及沿螺杆轴线的运动速度.物料的运动速度描述如图2所示.则螺槽内物料各速度之间有如下关系：式中：为物料沿螺槽切线方向的运动速度；为物料沿螺杆周向的运动速度；为物料沿螺杆轴线的运动速度.其中各个速度有如下关系：式中：T为螺杆导程；D为螺杆平均直径Db为螺杆根径；Ds为螺杆直径；为螺纹平均螺旋升角，=arctan）.利用ANSYSFluent软件模拟浆料在螺杆螺纹处流动的数学描述方法主要有2种:一种是拉格朗日描述，另一种是欧拉描述.拉格朗日描述［16］，也叫做随体描述，它侧重于流体质点，并将流体质点的物理量认为是随流体质点和时间变化的，即把流体质点的物理量表示为拉格朗日坐标和时间的函数.设拉格朗日坐标为（a，b，c），以该坐标表示流体质点的物理量如速度、压强、矢径等在任意时刻t的值，便可以写成a、b、c和t的函数.若以f表示流体质点的某一物理量，其拉格朗日描述的数学表达式为：例如：设时刻t流体质点的矢径即t时刻流体质点的位置以r表示，其拉格朗日描述为：欧拉描述［17］，也叫做空间描述，它侧重于空间点，认为流体的物理量随空间点和时间而变化，即把流体物理量表示为欧拉坐标及时间的函数.设欧拉坐标为（q1，q2，q3），用欧拉坐标表示的各空间点上的流体物理量如速度、压强等在任一时刻t的值，可写为q1、q2、q3及t的函数.从数学分析知道，当某时刻一个物理量在空间的分布一旦确定，该物理量在此空间形成一个场，因此，欧拉描述实际上描述了一个个物理量的场.若以f表示流体的一个物理量，其欧拉描述的数学表达式［18］为如流体速度的欧拉描述为：本文在ANSYS平台下，采用Fluent软件对挤出过程进行数值模拟.使用的陶瓷浆料是体积分数为50%的3mol氧化钇稳定的氧化锆浆料，材料密度p=1285kg/m3.流变模型选用幕律模型，挤出成型件的温度为室温，浆料进口处的流速设置为0.4mm/s，出口为自由出口，螺杆转速设置为8r/min，以1标准大气压为参考压力，以热力学温度0K为参考温度，进行数值计算求解.出口处截面速度如图3所示.由图3可知，在出口截面处浆料的流速大约为1.79x10-3m/s，即1.79mm/s,该数量级的浆料流速能够满足较精确的陶瓷打印的需求流体压强如图4所示.由图4可知，压强在浆料进口处以及流体上方较大，在螺杆头部处的区域逐渐减小，再到喷嘴流道处压强又逐渐增大.由流体方面的知识可知，流速大的地方压强小，由于在螺杆头部即料筒头部的内腔呈漏斗式形状，浆料在此处会快速汇聚，流速增大，压强出现减小的情况.观察整个流体区域，整体呈现上方压强较大、下方压强较小的分布趋势.在流体区域上方，浆料由外部入口刚进入料筒，速度较小，进入料筒之后，由于螺杆的转动，浆料的速度逐渐增加，压强相应地会出现减小的情况，故整个流体区域呈现上方压强较大、流速较小，而下方压强较小、流速较大的趋势.通过该云图可知，在浆料进口处与外部浆料总储备区相连的连接件可能会容易出现松动，应该在该连接处采取防松或防滑的保护措施，并定时检查，以防止出现漏料等现象.螺杆的整体压强分布情况如图5所示.由图5可知，由于螺杆在料筒内与浆料流体紧密接触，其整体压强分布情况与流体区域大致一致.整个螺杆区域的压强分布为上方压强较大，下方压强较小.在螺杆上方，浆料从外部进口以较低的速度进入，压强较大；浆料进入料筒内后，通过螺杆的旋转作用进行加速，速度稍有增大,压强逐渐减小.由Fluent软件Reports后处理功能得到螺杆螺纹处的受力为0.015N，校核计算，螺杆螺纹部分完全满足需求，并且有较大余量.流线场分析如图6所示.由图6可知，浆料由进口处进入之后，在螺杆的旋转作用下，能够沿螺杆的螺纹处顺滑地向下移动，并且无交叉重合现象，证明流体分析的正确性.针对陶瓷打印机连续挤出浆料的要求，对3D打印机的喷头进行重新设计，提出螺槽充满度的概念，对物料在螺槽处的速度进行分析，并结合ANSYSFluent软件对挤出过程进行数值模拟.喷头浆料的挤出速度为1.79mm/s，该出口流速级别能够满足高精度的陶瓷打印需求；对流体压强、流线图等进行分析，验证了方案的可行性，为后期针对该挤出系统控制方法的研究提供了理论依据.【相关文献】刘洪军，李冬健，刘佳.水基ZrB2膏体的挤出流变行为研究[J].中国陶瓷，2013，49(7)：24-27.LIUHJ，LIDJ，LIUJ.TheextrusionrheologicalbehaviorresearchofZrB2past[J].TheChineseCeramics，2013，49(7)：24-27(inChinese).郭树国，张召，王丽艳.基于ANSYS的豆粕双螺杆膨化机的三维流场分析[J].中国农机化学报，2014，35(6)：213-216，240.GUOSG，ZHANGZ,WANGLY.Three-dimensionalflowfieldanalysisofdoublescrewextrusionmachinewithANSYS[J].ChineseJournalofAgriculturalMechanization,2014,35(6):213-216,240(inChinese).SIKORAJW.Review:Increasingtheefficiencyoftheextrusionprocess[J].PolymerEngineeringandScience,2008,48(9):1678-1682.何明腾，李国富，黄晓珍.陶瓷泥料挤出成型过程挤出参数优化研究[J].硅酸盐通报，2014,33(3):526-530.HEMT,LIGF,HUANGXZ.Theparametersoptimizationresearchofceramicclaymaterialextrusionmoldingprocess[J].Silicate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