目前3D打印技術廣泛應用在珠寶首飾、鞋類、工業設計、建築、汽車、航天、牙科和醫療產（chǎn）業甚至美食等不（bú）同領域。熔融沉積造型（FDM）3D增材（cái）打印技術作為3D打印（yìn）的主要方式，具有可製作零部件品種多、改型快、可以彩色成型的優點（diǎn），但是，目前（qián）熔融沉積造（zào）型3D打印（yìn）噴頭仍存（cún）在打印表麵質量和打印精度達不到工業要求以（yǐ）及打印頭製造成本（běn）高的缺陷。針對上（shàng）述問題，本文通過研究3D打印噴頭的熱合理性，對（duì）其熱量分布和溫度場作相應分析，進（jìn）一步優化設計3D打印噴頭的結構，使其在提高打印表麵精度的同時製造成本也大大降低。

 

1 熔融沉積造型3D打印噴頭工作原理 

3D打印技術是指通過連續的（de）物理層疊加，逐（zhú）層增 加材料來生成三維實（shí）體的技術，與傳統的去除（chú）材料加工技（jì）術不同，因此又稱添（tiān）加（jiā）製造。熔（róng）融沉積造（zào）型采用熱熔噴頭，使處於半流動狀（zhuàng）態的材料按CAD分層數據（jù）控製的路徑擠壓並堆積在指定的位置（zhì）凝固成原型，逐層擠出堆積，凝固後形成整個原型或零件。其組成係統包括：高精度機械係統、數控係統、噴射係統、成型環境等。本文所研（yán）究內容主要涉及噴射係統（tǒng）。基於熔融沉積（jī）製（zhì）造技術的3D打印機噴（pēn）頭的工作原理（lǐ）如圖1所示，

 

3D打印機噴頭由定位區、進（jìn）給（gěi）區（qū）、熔絲（sī）區和增材區組（zǔ）成。定位區作用是使（shǐ）絲料初定位，讓絲料（liào）能準確流（liú）暢地進入進給區；進給區由主動齒輪和從動軸承輪組成，兩輪中間保持特定的間隙，間隙大（dà）小值（zhí）要足以使絲料在兩輪的夾緊摩擦力F作用下向前穩定運動；熔絲區由喉管通道、穩定架、隔熱層和加熱塊組成，在此處未熔化的絲料和熔融狀的絲料在通道中形成活塞作用，迫使絲料從噴嘴噴出；增（zēng）材區（qū）由（yóu）噴嘴、工作台和（hé）工件組成，在增材打印過程中，X、Y方向由噴頭運動（dòng）控製，Z方向即每層打印厚（hòu）度由工作台上下運（yùn）動控製。從其原理可知，造（zào）成打印（yìn）表麵精度差的原因在於噴頭在X、Y向的運動，本文不研究控製噴頭運動的電機精（jīng）度和絲杠（gàng）傳動精（jīng）度等因素，而從噴頭由於加熱塊高溫（wēn）引起的在X、Y向變形（xíng）量展開研究，進而（ér）為優化改進噴頭（tóu）機構提供理論依據。

 

2 仿真分析 

2．1 噴（pēn）頭幾何模（mó）型建立（lì）及邊界條件設（shè）置

3D打印噴頭主要（yào）采（cǎi）用三種材料：鋁、銅、鐵，從（cóng）ANSYS自帶的工（gōng）程材料數據庫中依據零件的要（yào）求，選 擇相應的材料AluminumAlloy（鋁）、CopperAlloy（銅（tóng））、StructuralSteel（鐵），在熱分析中主（zhǔ）要涉及材料的熱（rè）導率、比熱容、輻射係數（shù）等，由（yóu）於本（běn）文計算模型的結構都不是太複雜，同時計算溫度場的麵（miàn）積又（yòu）比較大，所以選擇（zé）結構（gòu）化網格進行劃分。由於噴嘴、喉（hóu）管及加熱塊部分相對於整體溫度場域，麵積較小（xiǎo），所以（yǐ）在噴嘴、喉管、加熱塊區進行網格細分，可以（yǐ）保證較高（gāo）的計算精度。邊（biān）界條件設置（zhì）：熱分析中的邊界條件包括溫度、對流、輻射等，針對本文3D打印（yìn）機（jī）的工作環境（jìng）（打印ABS件），選（xuǎn）擇加熱塊加熱處為300℃溫度邊界，電機底部為22℃邊界，傳熱方（fāng）式（shì）為接（jiē）觸（chù）麵的熱傳導；選擇穩定架和（hé）發熱塊的（de）表麵為（wéi）有熱輻射表麵，輻射係數為0．3，熱傳導係（xì）數由各部件材料（liào）決定，在ANSYS庫中可以添加。

2．2 分析熱量分布和溫度場對噴頭變形的影響（xiǎng）

根（gēn）據上述研究（jiū），通過ANSYS軟件進行仿真試驗， 試驗條件對（duì）試驗結果的影響分（fèn）析如下。 

2．2．1 溫度分布對噴頭（tóu）變形的影（yǐng）響

從熱膨脹原理（lǐ）知道（dào），如果金屬部件（jiàn）受熱不均勻，兩 側（cè）溫度（dù）上升不（bú）一致，當上側溫度高於下側時，金屬部件上側（cè）的膨脹量大（dà）於下側的（de）膨脹量，從而使金（jīn）屬部（bù）件向下彎（wān）曲，產生（shēng）了熱變形。熱膨脹即材料因其固有的熱膨脹率而產生的體積變化，它是膨（péng）脹產生的最主要原因， 由熱膨脹引起的膨脹量為： △L＝δ（L＋△／2）△t［8］ （1）式中（zhōng）：δ為材料的線（xiàn）膨脹（zhàng）係數，℃－1；L為零件X、Y方向的尺寸，mm；△t為溫差（chà），℃；△為製件的公差，mm （按 留有（yǒu）加（jiā）工餘量進行取（qǔ）大補（bǔ）償）。 由圖1知，3D打印（yìn）噴頭的誤差敏感方向（xiàng）是在X軸和（hé）Y軸方向上，即在這兩個方向上的變形將直接影響噴頭的打印精度。3D打印（yìn）噴頭的穩態溫度分布場仿真結果如圖2所示，

 

圖2（a）表示噴頭的溫度（dù）場分布雲圖，圖2（b）表示噴（pēn）頭（tóu）的（de）總變（biàn）形圖。總結（jié）圖2可得表1所示的數據。其中，重要部件電機上的溫度最高達到238℃，這對電機的工作性能和壽命影響很大。總結表1，根據（jù）熱膨脹變形規律可以得出，此種結構的噴頭存在明顯的溫（wēn）度差，導致（zhì）穩定（dìng）架和散（sàn）熱（rè）片在噴（pēn）頭打（dǎ）印敏感方向上產生熱變形，由圖2（b）可以看出，最大變形量（liàng）發生在穩定架（jià）上，其在X方向上的變形量最（zuì）大，達到了0．298 mm，這對安裝在其上的噴頭打印精度產生很大影響。此外（wài），由（yóu）於被用來融化材料絲的溫度大麵積傳遞到其它零件（jiàn）上，因此造成熱量的流（liú）失。

 

 

2．2．2總結熱分（fèn）析結果分析噴頭熱量分布的合理性

當物體內部存在溫差，即存在溫度梯度時，熱量從 物體的高溫部分傳遞（dì）到物（wù）體的低（dī）溫部分稱為（wéi）熱傳導。若是不同物體相接觸，熱量則會從高溫物體傳遞到低溫物（wù）體。熱傳導遵循傅裏葉定律： q＊＝－Knn墜T 墜n （2） 式中：q＊為熱流密（mì）度；Knn為導熱係數；墜T墜n 為沿（yán）n向的溫度梯度；T為溫度；n為溫度分布（bù）圖中的法向方向；負號表示熱量流向溫度（dù）降低的方向。 物（wù）體通過電磁波（bō）來傳（chuán）遞能量的方式稱為輻射，物體溫度（dù）越高，單（dān）位時間輻射（shè）的熱量越多。係統（tǒng）中每個物體同時輻射並吸收熱量，它們之間淨熱量傳遞可以用斯忒藩－波耳（ěr）茨曼方程來計算： q＝εσA1F12（T14－T24）（3）式中（zhōng）：q表示熱流率（lǜ）；ε表示輻射率；σ為斯忒藩－波耳（ěr）茨曼常數；A1表示輻射麵1的麵積（jī）；F12為由（yóu）輻射麵1到輻射麵2的形狀係數；T1為輻射麵1的絕（jué）對溫度；T2為輻射麵2的絕對溫度。由式（1）知，圖（tú）2結（jié）構的噴頭可明顯導致零件材料本身的（de）熱變形（xíng），從而造成在敏感方向X、Y方向的變（biàn）形，影響噴頭打印精度。依據整體（tǐ）熱變形雲圖看，最大變形量（liàng）發生（shēng）在穩定（dìng）架上，並且由於打印噴頭定位安裝在其上，因此穩定架的變形（xíng）量將直接作用在打印誤差（chà）敏感方向上，分析其原因是由（yóu）於加（jiā）熱塊與穩定架直接麵接觸，本文經過3D打印噴頭仿真實驗，在所有的（de）熱量傳遞方式中，麵接觸傳導對噴頭的變形影響（xiǎng）最大（dà），輻射影響相對很小，因此，在優化噴頭零件之間的布局（jú）時（shí），可以采用增多熱輻射（shè）形式，減少大溫度（dù）差的麵（miàn）接觸形（xíng）式。