仿真计算在3D打印FDM机型喷头结构设计方案中的应用

作者：张亦舒
来源：安世亚太

通过与物理实验的结合，仿真计算在FDM机型的设计改进过程中有重要的指导性作用，使设计人员能够更加细致的观察打印机内部的特性变化，从而找到好的解决问题方案。

同时，仿真计算也可以验证物理实验中推测出的结论，使结构的设计更确定和清晰。最后，仿真计算避免了真是物理模型的建立，从而利于缩短研发周期。本期增材专栏，通过仿真计算在3D打印FDM机型喷头结构设计中的应用案例分享，展现仿真在FDM机型设计改进过程中的价值。

熔融挤出成型(FDM)工艺是利用高温将材料融化成液态，通过打印头挤出后固化，最后在立体空间上排列形成立体实物。FDM机械系统主要包括喷头、送丝机构、运动机构、加热工作室、工作台等（如图1）。

图1 FDM工艺原理示意图

如图1所示，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化。层层累积直至打印完成。

FDM成型技术使用、维护简单，成本较低。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC，PC/ABS，PPSF等更高强度的成形材料，使得该工艺有可能直接制造功能性零件。

然而这种快速成型技术也存在他的局限，例如：

• 原型的表面有较明显的条纹，表面光洁度较高的产品需要后处理；
• 在与截面垂直的方向强度小；
• 需要设计和制作支撑结构，成型速度相对较慢，不适合构建大型零件；
• 喷头容易发生堵塞，不便维护。
  

如上所述，FDM喷头的结构是这种快速成型技术的技术要点。好的喷头结构可以最大效率的利用热量，完成精准的温度控制，使打印丝材在打印过程中快速且稳定的完成熔化凝固的过程。

计算及结果
针对目前对现有FDM喷头的分析可知，在FDM喷头设计的过程中，集中在喷头处的问题主要体现在以下几方面：

• 加热片以上区域由于受热温度升高，使输料管中材料弯软影响挤料。
• 加热片以下区域，尤其是喷嘴处，由于散热使材料凝固造成堵塞。
  

总而言之，喷头结果不能达到对热量的精准控制，使喷头的导热与散热结构配合不协调，进而影响打印丝材的相变过程。

在考虑到以上一系列问题后，好的FDM喷头设计既可以保证其打印过程中喷头向下的导热还要满足向上良好的散热。针对以上问题，仿真计算可以:

• 通过对输料管中打印料材温度的初步模拟，判断打印过程中输料管内的料材所处的状态以及喷嘴内温度分布。
• 对加热和散热结构进行设计和改进来达到对料材状态的控制，例如加热块的温度与尺寸，散热片及风扇的结构等是否合理。
  

下面文章将针对以上两点逐步介绍仿真计算的操作流程即初步结果。现有待分析的某型号喷头周围存在两个散热风扇分别作用于喷头散热片周围以及喷头挤出料材周围，显然作用于散热片的风扇目的是促进喷头上部的散热，从而防止夹在中间输料管的丝材软化；

而作用于挤出料材附近的风扇目的是使熔化的打印材料在挤出成型后迅速固化。因为在喷嘴附近的流场中存在风扇的设计，故在计算喷嘴的热能利用效率时同时考虑了喷嘴周围的流场。因此，此次对该喷嘴温度分布的计算为流体与热力学的耦合计算。

虽然在实际打印过程中输料管内部的打印料材以一定的进料速率向喷嘴方向输送料材，且在加热片至喷嘴之间存在打印料材的相变过程，但料材在打印之前的温度分布同样对打印的质量起着至关重要的作用。

故本实验暂时不考虑输料管内料材的输送速度（即送料速率为0），同时忽略输料管内料材的相变（认为输料管中的料材总为固态）。当喷嘴热量达到稳定后，通过对比打印料材的各项热力学性质来判断打印丝材在对应位置的状态，并以此判断该结构设计的合理性。

此次对喷头的模拟计算选用ANSYS FLUENT19.2进行计算。首先了解喷嘴的基本结构后，对模型进行前处理网格质量达标后导入FLUENT进行计算。

图2 模型结构图

图3 网格结构图

为加速收敛，考虑喷嘴打印前处于初始状态的温度分布，计算时将喷嘴的温度初始化为图4所示。给予对应加热块高温，其余零部件处于室温状态。因为这里只关注喷嘴热量达到稳定后的温度分布，进而对比打印料材的各项热力学性质来判断打印丝材在对应位置的状态，所以对初始化的模型进行稳态计算。

计算过程针对风扇的功能进行分析，所以模拟了以下四种工况：

• 工况一：两风扇均处于工作状态；
• 工况二：两风扇均不工作；
• 工况三：仅散热片处风扇（风扇1）工作；
• 工况四：仅喷嘴处风扇（风扇2）工作。
  

四种工况所对应的温度分布云图分别在图5中展示。

图4 初始温度分布

图5 喷头内部及周围流场的温度分布图

a. 工况一 b. 工况二 c. 工况三 d. 工况四

通过图5中各个工况的结果对比可知，喷头中的两风扇起着至关重要的散热作用。两加热块不仅将热量向下传导至喷嘴方向，同样将热量向上传导，使得加热块上部的温度远远高于周围空气温度，仅凭散热片周围的自然对流很难将其冷却至室温。

而散热片处的风扇二促进温度较低的室温气体在散热片附近流动，形成强制对流，进而促进散热片的冷却。相似的，喷嘴附近的风扇一也通过在喷嘴顶端区域的强制对流使喷嘴下部气体区域降温，因此对于现有喷嘴结构，两风扇的设计应保留。

在确定了风扇的设计后，现在通过计算来确定加热块对料材传热散热的影响。相似的，在两风扇均工作的情况下，现对上部喉管附近加热块1分别进行工作（恒定高温）与不工作（不做特殊设置）的设定。当加热块1工作时，其设置同工况1。当加热块1不工作时命名为工况五。以上两种工况的温度分布云图对比如图6所示。

图6 喷头内部及周围流场的温度分布图

a. 工况一 b. 工况五

通过图6的对比可知，两工况下输料管温度的主要差异体现在加热部件6的中部与上部。为更清晰的定位此区域，图7展示了两工况中输料管内部中线的温度随位置变化的曲线。横坐标为喷头沿输料方向的坐标（mm），纵坐标为相应的温度（oC）。

图7 一个加热块与两个加热块工作情况下输料管内温度对比

就加热块1附近区域的散热情况而言，仅加热块2加热的情况优于两加热块均工作的情况。均处于高温的两加热块均工作使喉管附近料材高于玻璃化转化温度，造成料材提前软化，不利于料材的顺利挤出，因此，为提高此区域的散热速率，建议将发热加热块2替换为导热系数低的隔热材料。

—作者—
张亦舒
安世亚太增材设计仿真部流体咨询工程师，美国Colorado State University环境工程学士，环境流体力学硕士。参与国内外多个工程项目，专长紊流仿真模拟，传热分析等。在3D打印机机型方面，对FDM与DMD机型均有仿真计算经验。