熔融擠壓快速成型機融化特性研究

2015-01-15 03:07:46劉桓龍于蘭英吳文海

現代機械 2015年1期

羅攀，柯堅，劉桓龍，于蘭英，吳文海

(西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

0 引言

熔融擠壓快速成型機的加料系統采用一對滾輪加持直徑約為2 mm的絲狀料插入加熱腔入口，料絲在加熱腔內加熱熔融，粘度降低，并從出口流出，實現熔融沉積擠壓。此種擠出機加料系統的原理與結構示意圖見圖1。

圖1 加料系統的結構圖

料絲進入擠出機加料口之后，受到機筒的加熱，逐步升溫。隨著料絲表面溫度升高，物料熔融，形成一段料絲直徑逐漸變細直到完全熔融的區域，稱為熔化段［1］。

在融化段中，盡管料絲在加料段中已經被預熱，但還沒有達到熔融狀態。隨著此處的料絲繼續被機筒加熱，料絲的表面溫度不斷升高，表面慢慢形成一層熔融態的料絲。隨著時間的繼續，柱塞裝料絲一層一層的熔融，直到固態料絲完全變成熔融態。

1 模型的建立

在熔融擠壓快速成型機中，料絲在自加壓力的作用下穩定的向前移動，繼續受到機筒的加熱，當固體表面溫度達到料絲的熔點時，融化段開始，在機筒內部形成環形融膜，隨著向下移動，逐漸向料絲的中心發展，最終達到全部熔融。而這融化段將出現固液兩相共存區域，固相和液相的交界處也就是固體料絲的邊界，如圖2所示。

圖2 融化段固液共存區示意圖

1.1 速度場的建立

熔融的ABS塑料是非牛頓流體，在圓管層流中的平均速度方程［2，3］:

在管軸處的最大流速方程［2，4］:

式(1)/式(2)得:

圖3是根據式(3)繪制出來的，它表明層流流速分布與流變指數n的關系。

圖3 圓管中不同流體層流流速分布示意圖

當n=0時，即為牛頓流體，斷面上的流速分布是均勻的;當n＜1時，即為剪切稀化流體，斷面上的流速分布曲線比牛頓流體扁平，流速梯度小;當n＞1時，即為剪切稠化流體，斷面上的流速分布曲線比牛頓流體陡峭，流速梯度大。

而對于ABS塑料的流動指數非常小的非牛頓流體而言，由圖中可以推測得出ABS塑料的流動分布為柱塞流動，其熔體的的速度可以看成一個常數。

1.2 溫度場的建立

在融化段中，溫度之間的傳熱關系有三種:機筒的傳遞熱量、熔體之間的剪切熱、圓筒內料絲的軸向傳熱。

由1.1中熔體的速度分布可知，熔體在做柱塞流動，流體狀態下的各點速度可以看成常數，相對速度為零，受到的剪切作用很小，熔體之間產生的剪切熱也很小，可以忽略不計。

同時由于融化段的長徑比較大(20∶1)，所以料絲的固液分界面的變化是很緩慢的，料絲的固相溫度梯度和液相溫度梯度很小，軸向之間的溫差不大，因而可以近似看成軸向之間是沒有熱量傳遞［5，8］。

因此，融化段中熱量傳遞是由于機筒的外面的加熱器傳遞的熱量，也就是熱量傳遞只發生在徑向。

2 Fluent仿真

2.1 分析簡化

打印機開始啟動的時候，加入的物料是圓柱體的，可以把料絲當作一個一個的“小圓柱體”。在加料段中，在前進過程中由于摩擦和機筒加熱的聯合作用下使“小圓柱體”進行預熱。也就是說，融化段入口截面就是料絲加料段出口截面。由料絲加料段的壓力、速度和溫度分布求得時，融化段的入口條件就已知了。

根據以上各種分析，可以選取料絲的一小段，“小圓柱體”進行模擬計算。這個“小圓柱體”的主要熱量來源于機筒的熱傳導。

在Fluent軟件當中，相變問題是它強大的分析功能之一。由于“小圓柱體”的材料是高聚物塑料，則“小圓柱體”的相變問題實際上就是一種非線性的瞬態熱分析問題。而非線性和線性的問題是有區別的，必須要考慮相變過程中吸收或釋放的潛熱，所以應該在Fluent軟件中通過定義材料隨溫度變化的焓來表示潛熱。

2.2 模型參數

根據市場調查，常見的打印機的機筒內徑為2 mm;機筒外徑為6 mm。機筒外表面加熱器的熱流密度為0.1 W/mm2。所以就可以知道打印機機筒的結構如圖4。

圖4 機筒的物理模型

利用Fluent軟件對打印機機筒如圖4進行仿真計算，建立的計算模型如圖5所示。

圖5 仿真計算模型

選取的是打印機中應用最廣泛的打印材料ABS塑料物料，ABS的參數:物料的熔點Tm為105℃;熱傳導率Ks0.36 W/(mK);密度ρ1 050 kg/m3;比熱容Cps2 300 J/(kg·K);熱焓 ΔH3.7 ×106J/kg;黏度 u為0.001 79 kg/m。

固體物料的初始溫度T為70℃;機筒內壁的初始溫度T為77℃;

2.3 仿真結果

通過軟件分析，從輸出的液相比可知，如圖6溫度分布場分布所示，可以得到在經過t=3 s后，“小圓柱體”的中心溫度達到了106℃，滿足了完全融化的要求，進而進入熔融段。由于“小圓柱體”是勻速向前運動的，又已知固體物料的輸送速度，可以計算得到融化段所需的長度。在本例中，計算結果為12 mm，與實際生產的設備尺寸相符。