打印温度对3D打印喷头流场的影响获奖科研报告

打印温度对3D打印喷头流场的影响获奖科研报告

【摘要】ABS材料在熔融挤压工艺3D打印过程中，打印材料从固态转换到液态再转换到固态，层与层之间的粘结依靠相变的时间差来实现。熔体在流动过程中的所受的温度、压力以及速度等也同样经历了复杂的变化。这些变化均在喷头中完成，并直接影响到产品最终成型状态和性能。本文主要研究了不同打印打印温度的喷头中打印材料的温度、速度以及压力的分布情况，从而对3D打印过程中的流道中的流场进行详细分析。

【关键词】3D打印;FDM;喷嘴流场分析

1.确定喷头流场的本构方程

本构方程是描述流体在流动过程中的应力和应变之间的关系。在3D打印过程中，打印材料会经历由固体到液体再到固体的变化过程，在该过程中聚合物会发生形变。流体的流动行为通常可以分为牛顿流体和非牛顿流体。对于非牛顿流体模型，幂率模型粘度和剪切速率之间的关系表达式为

本文将采用幂率模型作为ABS材料的本构方程。

2.确定喷头流场的有限元分析方法

在3D打印过程中，喷嘴中的流体经历了复杂的变化，其流动情况也极为复杂，通常需要借助有限元分析软件来进行计算。本文中将采用Fluent软件对喷嘴中的流体进行模拟仿真。该方法由于其计算效率较高，在近年来迅速发展。Fluent软件计算结果可以达到二阶精度，不同格式之间的区别主要在于其对流通量上。

3.确定分析流程

在分析喷嘴中流体运动时，通常假设其为不可压缩的非牛顿流体;同时假定在流道中的流体为稳定层流场，也就是说流体只是沿着流道进行流动[1]。

本文首先采用三维建模软件对喷嘴内部形状进行尺寸绘制，并通过旋转命令将二维模型转换成三维模型，具体模型尺寸参考实际喷嘴形状。然后将建立好的模型导入Fluent软件中，采用该软件自带的划分网格模块对模型进行网格划分，然后对模型的材料参数以及边界条件进行设定，初始化流场，选择求解方式，最后进行求解。调用后处理结果从而得到在不同的打印条件下打印材料的温度场、压力场以及速度场的分布情况。针对结果进行分析，期望能够分析出打印温度对喷嘴中熔体的温度场、压力场、速度场的影响。进而得到，当使用ABS材料作为打印材料时，最理想的打印温度。

4.喷头内流体模型建立及分析

4.1建立模型并划分网格

在采用Fluent进行分析时，第一步是建立模型模拟喷嘴中流体的情况，在该步中可以采用Fluent自带的前处理软件建立模型，也可以采用其他软件建立模型然后导入Fluent软件中。本文采用的是NX12.0软件建立模型。模型的格式为是stp格式，该格式可以直接导入Fluent软件中划分网格。模型如图1-1所示。

4.3定义材料参数及本构模型

在建立好网格模型后，定义材料的参数属性，ABS材料的参数[2]选取如下：密度=1030kg/m?，比热容=2400J/（kg*℃），热传导系数=0.18W/（m*℃），泊松比=0.39幂率模型的表达式如式（1.1）所示。在不同温度下，其粘度指数和幂律指数[3]如表1-1所示。

4.4设置边界条件并计算求解

所建立的喷嘴内部流体模型中的边界可以分为三类，一类为入口，在Fluent中通常设置为速度入口，在该边界处，初始温度设置为60℃，速度则视具体分析算例来定。第二类为压力出口，在该出口处流体的法向和切向力分别为零;第三类边界为喷头壁，该边界主要用来为打印材料加热熔化，该边界的边界条件主要为速度沿着法向和切向均为零，温度则根据具体分析案例来定。

选取了200℃、220℃和260℃等打印温度来研究温度对熔体流场的影响情况。计算算法上选择了默认方法，迭代步长选择0.01s，迭代总次数为600次，即总共计算6秒。由迭代图，可以看到当迭代次数为140次时，各项残差均已收敛，且最大残差小于10-3，可以认为计算模型的收敛效果较好。

5.仿真模拟结果分析

5.1温度场模拟分布与理论影响因素分析

计算后如图1-2给出了当打印速度为V=55mm/s，打印温度分别为200℃和260℃时打印喷头中的温度场分布情况。从图中可以看出，在达到稳态状态后，采用不同的打印温度时熔体的温度场分布情况相同，但是温度场中各点处温度存在差异，当打印温度较高时，温度场中各处的温度随之升高。然而需要注意的是，即使打印温度为260℃时，喷嘴出口处截面上温度分布仍然有所差异，截面中心的温度和截面边缘温度差可以达到三十度左右，这些差异可能会直接影响着打印产品的机械力学性能。

图1-3为在不同的打印条件下中心轴线上的温度场变化情况。从图可知，随着距离喷嘴出口处越近，温度的变化速率越慢。当打印温度为260℃时，喷头出口处的温度将近250℃，这已经超过了ABS材料的分解温度，因此不适合选用260℃的打印温度来进行打印产品。对于ABS材料，其理想使用温度为190℃到230℃。从图可以得出，采用打印温度为220℃时，熔体在喷嘴出口处的温度处于该理想范围之内。

5.2速度场模拟分布与理论影响因素分析

图1-4给出了在不同的打印温度条件下，熔体在喷头中的速度场分布情况。从图中可以看出，改变打印温度时，熔体的速度场几乎不会发生变化，在出口处由于截面面积较小，因此速度较大。在流道内，熔体的速度在各点处几乎相同。

5.3压力场模拟分布与理论影响因素分析

图1-5给出了当打印温度不同时的压力场分布情况。从图中可以看出，温度不同时，压力场的分布不同。当打印温度较低时，熔体的压力较大。究其原因，这可能与熔体自身性质有关。当温度较低时，熔体的粘度系数较高。从表1.2可以看出，ABS材料在温度为200℃时，其粘度系数为19950，是温度为260℃时的1995倍。由于熔体粘度系数较高，因此熔体内部的压力较大。

6.本文小结

在本文中，選择常用的幂率模型作为ABS打印材料的本构方程。采用Fluent软件对喷头中熔体的温度场、速度场以及压力场进行了分析。最后分析了打印参数中的打印温度对熔体中温度、压力及速度的影响。经过分析发现，当打印温度为260℃时，熔体在喷嘴处的温度