FDM-3D打印机的喷嘴的类多边形出丝孔的设计方法

摘要

本发明公开了一种FDM‑3D打印机的喷嘴的类多边形出丝孔的设计方法；出丝孔的形状优选为类正方形、类等腰直角三角形，挤出胀大后所对应的挤出丝的截面形状为正方形、等腰直角三角形。首先，确定挤出丝的期望截面几何、出丝孔长度和自由射流段长度；接着，通过实验数据拟合确定熔融丝料的流变模型及其参数；然后，建立有限元模型，定义材料参数、计算域和边界条件；最后，采用CFD软件对有限元模型进行求解，以挤出丝的截面形状为目标，逆向设计喷嘴出丝孔的截面几何。本发明有效解决了FDM‑3D打印过程中，打印制品粗糙度高，空隙较大的问题，提高了3D打印制品的表面光洁度和力学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及FDM打印装置领域，具体涉及一种FDM-3D打印机的喷嘴的类多边形出丝孔的设计方法。

背景技术

熔融沉积成型（Fused Deposition Modelling, FDM）由美国Stratasys公司的Scott Crump发明，是继光固化快速成型（SLA）和叠层实体快速成型工艺（LOM）后的另一种应用比较广泛的3D打印技术。FDM的工作原理是，将丝状的热塑性材料通过喷头加热熔化，喷头底部带有微细喷嘴，在计算机控制下，喷头根据3D模型的数据移动到指定位置，将熔融状态下的液体材料挤喷出来并最终凝固。材料被喷出后沉积在前一层已固化的材料上，通过材料逐层堆积形成最终的成品。

现有的FDM-3D打印机喷嘴的出丝孔均为圆形，孔径介于Φ0.1~Φ1.2 mm。喷嘴的材质为不锈钢、黄铜等。在离开喷嘴后挤出胀大，熔融物的外径略有增大，外形仍为圆形。由于热塑性聚合物熔融物的形状为圆形，在打印过程中沉积时会产生空隙，导致打印制品的强度不足。此外，采用圆形喷嘴得到的3D打印制品表面粗糙度较差，需要增加打磨抛光工序。

发明内容

本发明提出了一种FDM-3D打印机的喷嘴的类多边形出丝孔的设计方法，来解决现有的圆形出丝孔所得到的FDM-3D打印制品存在空隙的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种FDM-3D打印机的喷嘴的类多边形出丝孔的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：确定需要挤出丝的截面几何，确定出丝孔长度和自由射流段长度；

步骤二：熔融丝料的流变参数的确定；采用流变仪测试得到熔融丝料的流变实验数据；将多个流变模型分别作为理论函数，在数据分析软件中采用最小二乘法对流变实验数据进行回归拟合，得到流变模型的流变参数和拟合决定系数；将拟合决定系数最大的流变模型及其流变参数用于后续的数值模拟；

步骤三：有限元模型的建立；根据步骤一中挤出丝的期望截面几何、出丝孔长度和自由射流段长度，在三维建模软件中建立了喷嘴出丝孔流道和自由射流段的参数化几何模型；将参数化几何模型导入到网格划分软件中，对几何模型进行参数化网格离散，得到参数化网格模型；基于参数化网格模型，在CFD软件中采用步骤二中所得到的流变模型及其流变参数来定义材料参数，并定义计算域和边界条件，生成有限元模型；

步骤四：采用CFD软件和步骤三所建立的有限元模型，对喷嘴出丝孔的横截面几何进行逆向设计，得到喷嘴出丝孔的横截面几何，通过CFD软件导出IGES格式的CAD文件用于出丝孔的数控加工。

作为更进一步的优选方案，步骤一中，挤出丝的截面几何优选为正方形、等腰直角三角形，出丝孔的截面几何优选为类正方形、类等腰直角三角形。

作为更进一步的优选方案，步骤一中，正方形挤出丝所期望的边长为0.4 mm，出丝孔长度为1 mm，自由射流段长度为1 mm。

作为更进一步的优选方案，步骤二中，流变实验数据包括：在一定的工艺温度下，粘性流体在不同剪切速率范围内所对应的剪切粘度，粘弹性流体在不同频率范围内所对应的弹性模量G'和粘性模量G''。

作为更进一步的优选方案，步骤二中，流变仪优选为旋转流变仪、毛细管流变仪；所述数据分析软件优选为Origin、ANSYS Polymat；所述流变模型优选为幂律模型、Bird-Carreau模型、PTT模型、KBKZ模型。

作为更进一步的优选方案，步骤三中的三维建模软件优选为ANSYSDesignmodeler、ANSYS Spaceclaim，所述的网格划分软件优选为ANSYS Meshing、Gambit、Hypermesh；所述的CFD软件优选为ANSYS Polyflow、STAR-CCM+；所述的边界条件包括入口边界条件、出口边界条件、壁面边界条件、对称面边界条件、自由表面边界条件。

本发明提出了一种FDM-3D打印机的喷嘴的类多边形出丝孔的设计方法，有效解决了FDM-3D打印过程中，打印制品粗糙度高，空隙较大的问题，提高了3D打印制品的表面光洁度和力学性能。此外，无需在3D打印软件中对挤出胀大效应进行补偿。

附图说明

图1为喷嘴的类正方形出丝孔和所得到的正方形挤出丝；

图2为传统的圆形出丝孔沉积平面模型；

图3为传统的圆形出丝孔沉积斜面模型；

图4为本发明所提出的类正方形出丝孔沉积平面模型；

图5为本发明所提出的类等腰三角形出丝孔沉积斜面模型；

图6 参数化几何模型；

图7 参数化网格模型；

图8 喷嘴出丝孔和挤出丝截面几何对比。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明提出了一种FDM-3D打印机喷嘴的类多边形出丝孔，当喷嘴出丝孔的形状为类正方形时，熔融丝从出丝孔离开发生挤出胀大现象形成正方形，所对应的挤出丝的截面形状为四边内凹的正方形，如图1所示，即需要出丝后形成截面为正方形的熔融丝，在胀大现象的前提下，出丝孔设计为四角星结构，四角星结构的四个边为内凹的弧形，四个边的弧长相同，弧度相同。当喷嘴出丝孔的形状为类等腰直角三角形时，熔融丝从出丝孔离开发生挤出胀大现象，所对应的挤出丝的截面形状为三边内凹的等腰直角三角形时。

现有的FDM-3D打印机喷嘴的出丝孔均为圆形，在离开喷嘴后，熔融丝发生挤出胀大，所对应的挤出丝的截面形状仍为圆形，沉积平面时会产生空隙，导致打印制品的强度不足和表面光洁度较差，如图2所示。在沉积斜面时，也会产生大空隙，打印制品的表面光洁度同样较差，如图3所示。

本发明所提出的一种FDM-3D打印机喷嘴的类正方形出丝孔，在离开喷嘴后，熔融丝发生挤出胀大，所对应的挤出丝的截面形状为正方形，在沉积平面时不会产生空隙，打印制品光洁度高、力学性能优良，如图4所示。

本发明所提出的一种FDM-3D打印机喷嘴的类等腰直角三角形出丝孔，在离开喷嘴后，熔融丝发生挤出胀大，所对应的挤出丝的截面形状为等腰直角三角形。在沉积45°斜面时，首先采用类正方形出丝孔得到的正方形挤出丝沉积基础，然后采用类等腰直角三角形出丝孔得到的等腰直角三角形挤出丝填充空隙，所得到的打印制品光洁度高、力学性能优良，如图5所示。

本发明所述的一种FDM-3D打印机的喷嘴的类多边形出丝孔的设计方法，包括以下步骤：

步骤一：挤出丝的期望截面几何、出丝孔长度和自由射流段长度的确定；正方形挤出丝所期望的边长为0.4 mm，出丝孔长度为1 mm，自由射流段长度为1 mm。

步骤二：熔融丝料的流变参数的确定；熔融丝料的材料为ABS，为典型的剪切变稀流体。采用HAAKE MARS 40 rheometer流变仪在210℃下测试得到熔融丝料的流变实验数据。采用ANSYS Polymat软件对流变实验数据进行最小二乘法回归拟合，找到拟合决定系数最大的流变模型为幂律模型。幂律模型的稠度系数为16761 Pa·s，非牛顿指数为0.4503。

步骤三：有限元模型的建立；

根据步骤一中挤出丝的期望截面几何、出丝孔长度和自由射流段长度，在ANSYSDesignModeler软件中建立了喷嘴出丝孔流道和自由射流区域的参数化几何模型。出丝孔流道（子域1，SD1）长度为1 mm，自由射流段（子域2，SD2）长度为1 mm。子域1和子域2的交界面为I1-2，为出丝孔的出口位置，如图6所示。

将参数化几何模型导入到ANSYS Meshing软件，对几何模型进行参数化网格离散，得到参数化网格模型，如图7所示。

基于参数化网格模型，在ANSYS Polyflow软件中采用步骤二中所得到的流变模型及其流变参数来定义材料参数，并定义计算域和边界条件，生成用于Polyflow模拟分析所需的有限元模型；

有限元模型的边界集包括入口边界（BS1）、出口边界(BS2)、自由表面边界（BS3）、固定壁面边界（BS4），如图6所示。

边界条件定义如下：

1)入口边界：入口施加恒定法向力，入口流率为314 mm

2)出口边界：自由射流段的出口无牵引力作用，即出口处法向力和切向力均为零；

3)自由面边界：自由面的位置未知（入口为I1-2，出口为BS2，运动方程加入迎风项）；

4)壁面边界：采用壁面无滑移假设，即壁面处流体的法向速度和切向速度均为零。

步骤四：采用CFD软件和步骤三所建立的有限元模型，对喷嘴出丝孔的横截面几何进行逆向设计，得到喷嘴出丝孔的横截面几何，通过CFD软件导出IGES格式的CAD文件用于出丝孔的数控加工，如图8所示。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。