打印溫度對3D打印噴頭流場的影響

【摘 要】ABS材料在熔融擠壓工藝3D打印過程中，打印材料從固態轉換到液態再轉換到固態，層與層之間的粘結依靠相變的時間差來實現。熔體在流動過程中的所受的溫度、壓力以及速度等也同樣經歷了復雜的變化。這些變化均在噴頭中完成，并直接影響到產品最終成型狀態和性能。本文主要研究了不同打印打印溫度的噴頭中打印材料的溫度、速度以及壓力的分布情況，從而對3D打印過程中的流道中的流場進行詳細分析。

【關鍵詞】3D打印;FDM;噴嘴流場分析

1.確定噴頭流場的本構方程

本構方程是描述流體在流動過程中的應力和應變之間的關系。在3D打印過程中，打印材料會經歷由固體到液體再到固體的變化過程，在該過程中聚合物會發生形變。流體的流動行為通常可以分為牛頓流體和非牛頓流體。對于非牛頓流體模型，冪率模型粘度和剪切速率之間的關系表達式為

本文將采用冪率模型作為ABS材料的本構方程。

2.確定噴頭流場的有限元分析方法

在3D打印過程中，噴嘴中的流體經歷了復雜的變化，其流動情況也極為復雜，通常需要借助有限元分析軟件來進行計算。本文中將采用Fluent軟件對噴嘴中的流體進行模擬仿真。該方法由于其計算效率較高，在近年來迅速發展。Fluent軟件計算結果可以達到二階精度，不同格式之間的區別主要在于其對流通量上。

3.確定分析流程

在分析噴嘴中流體運動時，通常假設其為不可壓縮的非牛頓流體;同時假定在流道中的流體為穩定層流場，也就是說流體只是沿著流道進行流動[1]。

本文首先采用三維建模軟件對噴嘴內部形狀進行尺寸繪制，并通過旋轉命令將二維模型轉換成三維模型，具體模型尺寸參考實際噴嘴形狀。然后將建立好的模型導入Fluent軟件中，采用該軟件自帶的劃分網格模塊對模型進行網格劃分，然后對模型的材料參數以及邊界條件進行設定，初始化流場，選擇求解方式，最后進行求解。調用后處理結果從而得到在不同的打印條件下打印材料的溫度場、壓力場以及速度場的分布情況。針對結果進行分析，期望能夠分析出打印溫度對噴嘴中熔體的溫度場、壓力場、速度場的影響。進而得到，當使用ABS材料作為打印材料時，最理想的打印溫度。

4.噴頭內流體模型建立及分析

4.1建立模型并劃分網格

在采用Fluent進行分析時，第一步是建立模型模擬噴嘴中流體的情況，在該步中可以采用Fluent自帶的前處理軟件建立模型，也可以采用其他軟件建立模型然后導入Fluent軟件中。本文采用的是NX12.0軟件建立模型。模型的格式為是stp格式，該格式可以直接導入Fluent軟件中劃分網格。模型如圖1-1所示。

4.3 定義材料參數及本構模型

在建立好網格模型后，定義材料的參數屬性，ABS材料的參數[2]選取如下：密度=1030kg/m?，比熱容=2400J/（kg*℃），熱傳導系數=0.18W/（m*℃），泊松比=0.39冪率模型的表達式如式（1.1）所示。在不同溫度下，其粘度指數和冪律指數[3]如表1-1所示。

4.4 設置邊界條件并計算求解

所建立的噴嘴內部流體模型中的邊界可以分為三類，一類為入口，在Fluent中通常設置為速度入口，在該邊界處，初始溫度設置為60℃，速度則視具體分析算例來定。第二類為壓力出口，在該出口處流體的法向和切向力分別為零;第三類邊界為噴頭壁，該邊界主要用來為打印材料加熱熔化，該邊界的邊界條件主要為速度沿著法向和切向均為零，溫度則根據具體分析案例來定。

選取了200℃、220℃和260℃等打印溫度來研究溫度對熔體流場的影響情況。計算算法上選擇了默認方法，迭代步長選擇0.01s，迭代總次數為600次，即總共計算6秒。由迭代圖，可以看到當迭代次數為140次時，各項殘差均已收斂，且最大殘差小于10-3，可以認為計算模型的收斂效果較好。

5.仿真模擬結果分析

5.1 溫度場模擬分布與理論影響因素分析

計算后如圖1-2給出了當打印速度為V = 55 mm/s，打印溫度分別為200℃和260℃時打印噴頭中的溫度場分布情況。從圖中可以看出，在達到穩態狀態后，采用不同的打印溫度時熔體的溫度場分布情況相同，但是溫度場中各點處溫度存在差異，當打印溫度較高時，溫度場中各處的溫度隨之升高。然而需要注意的是，即使打印溫度為260℃時，噴嘴出口處截面上溫度分布仍然有所差異，截面中心的溫度和截面邊緣溫度差可以達到三十度左右，這些差異可能會直接影響著打印產品的機械力學性能。

圖1-3為在不同的打印條件下中心軸線上的溫度場變化情況。從圖可知，隨著距離噴嘴出口處越近，溫度的變化速率越慢。當打印溫度為260℃時，噴頭出口處的溫度將近250℃，這已經超過了ABS材料的分解溫度，因此不適合選用260℃的打印溫度來進行打印產品。對于ABS材料，其理想使用溫度為190℃到230℃。從圖可以得出，采用打印溫度為220℃時，熔體在噴嘴出口處的溫度處于該理想范圍之內。

5.2 速度場模擬分布與理論影響因素分析

圖1-4給出了在不同的打印溫度條件下，熔體在噴頭中的速度場分布情況。從圖中可以看出，改變打印溫度時，熔體的速度場幾乎不會發生變化，在出口處由于截面面積較小，因此速度較大。在流道內，熔體的速度在各點處幾乎相同。

5.3 壓力場模擬分布與理論影響因素分析

圖1-5給出了當打印溫度不同時的壓力場分布情況。從圖中可以看出，溫度不同時，壓力場的分布不同。當打印溫度較低時，熔體的壓力較大。究其原因，這可能與熔體自身性質有關。當溫度較低時，熔體的粘度系數較高。從表1.2可以看出，ABS材料在溫度為200℃時，其粘度系數為19950，是溫度為260℃時的1995倍。由于熔體粘度系數較高，因此熔體內部的壓力較大。

6.本文小結

在本文中，選擇常用的冪率模型作為ABS打印材料的本構方程。采用Fluent軟件對噴頭中熔體的溫度場、速度場以及壓力場進行了分析。最后分析了打印參數中的打印溫度對熔體中溫度、壓力及速度的影響。經過分析發現，當打印溫度為260℃時，熔體在噴嘴處的溫度會超過ABS材料的分解溫度。當采用200℃的打印溫度時，熔體的溫度將會低于理想的ABS材料使用溫度。選擇打印溫度為220℃時，即使采用較高的打印速度，熔體在出口處的溫度也處于該材料理想使用范圍之內。因此在使用ABS材料作為打印材料時，推薦使用220℃的打印溫度。

參考文獻：

[1]方少文. 流體力學補償標準伽遼金有限元及其在建筑風場中的應用[D]. 杭州：浙江大學，2017.

[2]賈永臻，廖敦明，陳濤，唐玉龍，張兆創，卿前云. 基于 Fluent 的 3D 打印 ABS 熔體熱流模擬分析[J]. 塑料. 2017，46（1）：61-68.

[3]Qaiser AA，Qayyum A，Rafiq R. Rheological Properties of ABS at Low Shear Rates：Effects of Phase Heterogeneity[J]. Malaysian Polymer Journ. 2009（4）：29-36.

作者簡介：

朱鳳波-（1985.12）女，漢族，山西人，碩士本科，中級工程師，研究方向：3d打印。

（作者單位：深圳技師學院）