螺杆式塑料颗粒3D打印机的优化设计

摘要

随着3D打印产业的迅速发展，熔融沉积技术(FDM， Fused Deposition Modeling）已发展成为最成熟的快速成型工艺之一，其中FDM式线型塑料3D打印机凭借其打印精度高、操作灵活方便等优点得到广泛应用，但其进一步推广却受到耗材成本和材料种类所限制。本课题创新性地采用工程塑料颗粒为原料，旨在开研发出FDM式塑料颗粒3D打印机型，对降低耗材成本和拓宽原料种类具有重要研究意义。
　　本文以螺杆式塑料颗粒3D打印机为研究对象，解决其在进料卡塞、出丝不均、打印持久稳定性差等方面的问题。基于DEM-CFD耦合模型，首先，模拟分析了在不同进料角和螺杆转速下塑料颗粒在输运过程中的运动、受力和分布情况，并将该模拟数据作为后续对优化方案的评价基准，接下来详细模拟了在圆角型进料和切向进料方案下的颗粒输运过程，重点分析了两优化方案对颗粒所受接触力和分布均匀性的影响，并进行颗粒输运过程的可视化实验对模型的准确性进行验证；然后采用欧拉两相流模型和VOF模型对原挤出头组件和新型挤出头组件进行模拟，着重分析了在自然工况、单散热工况、双散热工况和双散热工况下内置铁氟龙管时新型挤出头相对原挤出头在温度分布、熔融物料分布、流动阻力和速度矢量等方面的优化程度；最后，对优化后的机器进行样品打印实验，重点探究了打印速度、打印温度及层厚对打印质量的影响，以匹配得到最佳打印参数，通过持久性打印实验来验证优化后机器的工作稳定性。
　　研究结果表明：在圆角型进料方案下，颗粒所受接触力值有50%～80%幅度的降低，其值大约在10～50N范围内，且颗粒线性分布特性有一定幅度的提升，而切向进料方案可使颗粒接触力值降低两个量级，在整个转速区间内均控制在0～1N范围以内，经验证模拟结果和实验数据基本吻合；与原挤出头组件相比较，自然工况下新型挤出头组件温度分布均匀性得到改善，其温差基本控制在5～10℃以内，能量有效利用率由10.25%提高至20.01%，等待加热时间和流道内最大剪切压力值均降低1/3，同时，单散热工况和双散热工况均可使喉管处温度控制在颗粒熔化温度以下，且喉管内置铁氟龙管后可使其温度进一步降低；优化后机器的最佳打印参数为：打印温度210℃、打印速度35mm/s、层厚0.10mm～0.25mm，打印质量较优化前提升一倍以上。

目录

第1章 绪 论

1.1课题研究的背景及目的

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

第2章 颗粒输运过程的模拟分析及验证

2.1引言

2.2 CFD-DEM模型理论介绍

2.3颗粒输运过程的模拟仿真

2.4颗粒输运过程模拟结果的验证

2.5本章小结

第3章 挤出头组件的模拟仿真及结果分析

3.1引言

3.2挤出头组件的模拟分析

3.3优化效果初步验证

3.4本章小结

第4章 机器调试打印实验

4.1引言

4.2 PLA颗粒的样品打印实验

4.3优化前后打印效果比较

4.4本章小结

结论

参考文献

声明

致谢