解析3D打印喷头的热力学分析与结构优化设计

解析3D打印喷头的热力学分析与结构优化设计

构，使其在提高打印表面精度的同时制造成本也大大降低。

熔融沉积造型3D打印喷头工作原理

打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称添加制造。熔融沉积造型采用热熔喷头，使处于半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤压并堆积在指定的位置凝固成原型，逐层挤出堆积，凝固后形成整个原型或零件。其组成系统包括：高精度机械系统、数控系统、喷射系统、成型环境等。本文所研究内容主要涉及喷射系统。基于熔融沉积制造技术的3D打印机喷头的工作原理如图1所示，

3D打印机喷头由定位区、进给区、熔丝区和增材区组成。定位区作用是使丝

料初定位，让丝料能准确流畅地进入进给区；进给区由主动齿轮和从动轴承轮组成，两轮中间保持特定的间隙，间隙大小值要足以使丝料在两轮的夹紧摩擦力F作用下向前稳定运动；熔丝区由喉管通道、稳定架、隔热层和加热块组成，在此处未熔化的丝料和熔融状的丝料在通道中形成活塞作用，迫使丝料从喷嘴喷出；增材区由喷嘴、工作台和工件组成，在增材打印过程中，X、Y方向由喷头运动控制，Z方向即每层打印厚度由工作台上下运动控制。从其原理可知，造成打印表面精度差的原因在于喷头在X、Y向的运动，本文不研究控制喷头运动的电机精度和丝杠传动精度

等因素，而从喷头由于加热块高温引起的在X、Y向变形量展开研究，进而为优化

改进喷头机构提供理论依据。

2仿真分析

2．1喷头几何模型建立及边界条件设置

3D打印喷头主要采用三种材料：铝、铜、铁，从ANSYS自带的工程材料数据库中依据零件的要求，选择相应的材料AluminumAlloy（铝）、CopperAlloy （铜）、StructuralSteel（铁），在热分析中主要涉及材料的热导率、比热容、辐射系数等，由于本文计算模型的结构都不是太复杂，同时计算温度场的面积又比较大，所以选择结构化网格进行划分。由于喷嘴、喉管及加热块部分相对于整体温度场域，面积较小，所以在喷嘴、喉管、加热块区进行网格细分，可以保证较高的计算精度。边界条件设置：热分析中的边界条件包括温度、对流、辐射等，针对本文3D打印机的工作环境（打印ABS件），选择加热块加热处为300℃温度边界，电机底部为22℃边界，传热方式为接触面的热传导；选择稳定架和发热块的表面为有热辐射表面，辐射系数为0．3，热传导系数由各部件材料决定，在ANSYS库中可以添加。

2．2分析热量分布和温度场对喷头变形的影响

根据上述研究，通过ANSYS软件进行仿真试验，试验条件对试验结果的影响分析如下。

2．2．1温度分布对喷头变形的影响

从热膨胀原理知道，如果金属部件受热不均匀，两侧温度上升不一致，当上侧温度高于下侧时，金属部件上侧的膨胀量大于下侧的膨胀量，从而使金属部件向下弯曲，产生了热变形。热膨胀即材料因其固有的热膨胀率而产生的体积变化，它是膨胀产生的最主要原因，由热膨胀引起的膨胀量为：△L＝δ（L＋△／2）△t ［8］（1）式中：δ为材料的线膨胀系数，℃－1；L为零件X、Y方向的尺寸，mm；△t为温差，℃；△为制件的公差，mm（按留有加工余量进行取大补偿）。

由图1知，3D打印喷头的误差敏感方向是在X轴和Y轴方向上，即在这两个方向上的变形将直接影响喷头的打印精度。3D打印喷头的稳态温度分布场仿真结果如图2所示，

图2（a）表示喷头的温度场分布云图，图2（b）表示喷头的总变形图。总结图2可得表1所示的数据。其中，重要部件电机上的温度最高达到238℃，这对电机的工作性能和寿命影响很大。总结表1，根据热膨胀变形规律可以得出，此种结构的喷头存在明显的温度差，导致稳定架和散热片在喷头打印敏感方向上产生热变形，由图2（b）可以看出，最大变形量发生在稳定架上，其在X方向上的变形量最大，达到了0．298mm，这对安装在其上的喷头打印精度产生很大影响。此外，由于被用来融化材料丝的温度大面积传递到其它零件上，因此造成热量的流失。

2．2．2总结热分析结果分析喷头热量分布的合理性

当物体内部存在温差，即存在温度梯度时，热量从物体的高温部分传递到物

体的低温部分称为热传导。若是不同物体相接触，热量则会从高温物体传递到低温物体。热传导遵循傅里叶定律：q＊＝－Knn坠T坠n（2）式中：q＊为热流密度；Knn为导热系数；坠T坠n为沿n向的温度梯度；T为温度；n为温度分布图

中的法向方向；负号表示热量流向温度降低的方向。物体通过电磁波来传递能量

的方式称为辐射，物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。系统中每个物体同时辐射并吸收热量，它们之间净热量传递可以用斯忒藩－波耳茨曼方程来计算：q＝εσA1F12（T14－T24）（3）式中：q表示热流率；ε表示辐射率；σ为斯忒藩－

波耳茨曼常数；A1表示辐射面1的面积；F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数；T1为辐射面1的绝对温度；T2为辐射面2的绝对温度。由式（1）知，图2结构的喷头可明显导致零件材料本身的热变形，从而造成在敏感方向X、Y方向的变形，

影响喷头打印精度。依据整体热变形云图看，最大变形量发生在稳定架上，并且由于打印喷头定位安装在其上，因此稳定架的变形量将直接作用在打印误差敏感方向上，分析其原因是由于加热块与稳定架直接面接触，本文经过3D打印喷头仿真实验，在所有的热量传递方式中，面接触传导对喷头的变形影响最大，辐射影响相对很小，因此，在优化喷头零件之间的布局时，可以采用增多热辐射形式，减少大温度差的面接触形式。

3结构优化

3．1依据分析结果改进喷头

影响3D打印喷头打印精度的结构因素比较多，包括主动轮与从动轮之间的摩

擦力大小、丝料通道的几何特征等。本文主要围绕其结构敏感方向上的热变形和制

造成本展开研究，并根据以上分析总结，对喷头作优化改进，主要改进稳定架、送丝导轮机构等重要部件，改进后的模型与之前不同之处表现在：

①加热块与稳定架保持8～10mm的距离，优点是热传递方式由原来的面接触热传导变成热辐射型；

②稳定架单独固定在电机上；

③送丝导轮机构安装高度高于稳定架5mm。

根据式（2）和式（3）以及仿真实验知，在同一种温度传递形式下，热传导的热流率要远比热辐射多，由此传递到电机、稳定架、散热片上的温度也将大减，因此，这种布局将有助于减少喷头的热变形和有效利用热量，如图3所示。

3．2改进前后模型热力学仿真对比

对改进后的喷头在同样的温度载荷、边界条件和材料的环境下进行ANSYS热力学仿真实验，仿真结果如图3所示。对比图2（a）和图3（a），可以看出温度分布产生明显变化，其中重要部件电机上面的温度降低至常温，并且消除了温度梯度，保证电机工作环境稳定安全；对比改进前后稳定架上承载的温度分布，温差明显下降，从原来的最高温度270℃降至83℃，几乎消除稳定架材料的变形量，从而保证在误差敏感方向上变形最小；发热铜块温度分布集中在加热块上，分布均匀，可以高效率利用熔化丝料的热量；改进后送丝导轮机构上温度控制在50℃以下，因此可以选择较为经济的材质制造，比如选择塑料件。