目前3D打印技術廣泛應（yīng）用在珠（zhū）寶首飾、鞋類、工業設（shè）計、建築（zhù）、汽車、航天、牙科和醫療產業甚至美食等不同領域。熔融沉積造型（FDM）3D增材打印技術作為3D打（dǎ）印（yìn）的主要方（fāng）式，具有可製作零部件品種多、改型快（kuài）、可以彩色成型的優點，但是，目前熔融沉積造型3D打印噴（pēn）頭仍（réng）存在打（dǎ）印表麵質（zhì）量和打印精度達不到（dào）工業要求以及打印頭製（zhì）造成本高的缺陷。針對上述（shù）問題，本（běn）文通過研（yán）究3D打印噴頭的熱合理性，對（duì）其熱（rè）量（liàng）分布和（hé）溫度場（chǎng）作相應分析，進一步優化設計3D打印噴頭的結構，使其在提高打印表麵精（jīng）度的同時（shí）製造成本也大大降低（dī）。

 

1 熔（róng）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物理層疊加，逐層增 加材料來（lái）生成三維實（shí）體的技術（shù），與傳統的去除材料加工技術（shù）不同，因此又稱添（tiān）加製造。熔融沉積造型采用熱熔噴頭，使處於半流動狀態（tài）的材料按CAD分層數（shù）據控製的路徑擠壓並堆積在指定的位置凝固成原型，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（shù）控係（xì）統、噴射係（xì）統（tǒng）、成型環境等。本文所研究內容主（zhǔ）要涉及噴射係統。基於熔融沉積製造（zào）技術的3D打印機噴頭的工作原理如圖1所示，

 

3D打（dǎ）印機（jī）噴（pēn）頭由定（dìng）位區、進給區、熔絲區和（hé）增材區組成。定位區作用是使絲料初定位，讓絲料能準確流暢地進入進給區；進給區由主動齒輪和從動軸承（chéng）輪組成（chéng），兩輪中間（jiān）保持特定的間隙，間隙大（dà）小值（zhí）要足以使（shǐ）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（rè）塊組成，在此處未熔（róng）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；增材區由噴嘴、工作台和工件組成，在增材打印（yìn）過（guò）程中，X、Y方向由噴頭運動控製，Z方向即每層打印厚度由工作台上（shàng）下運動控製。從其原理可知，造成打印表麵精度差的原因在（zài）於噴頭在X、Y向的運動，本文不研究控製噴頭（tóu）運動的電機精（jīng）度和絲杠傳動精度等因素，而從噴（pēn）頭由於加熱塊高溫引起的在X、Y向變形量展開（kāi）研究，進而為優化改進噴頭機構提供理論依據。

 

2 仿（fǎng）真分析 

2．1 噴頭幾（jǐ）何模型建立及邊界條件設置

3D打印噴頭主要采用三種材料：鋁、銅、鐵，從ANSYS自（zì）帶的工程（chéng）材料數據庫中依據零件的要求（qiú），選 擇相應的材料AluminumAlloy（鋁）、CopperAlloy（銅）、StructuralSteel（鐵），在熱分（fèn）析中主要涉及材料的熱導率、比熱容（róng）、輻射係數等，由於本文計算模（mó）型的結構都不是太複雜（zá），同時（shí）計算溫度場（chǎng）的麵積又比較大（dà），所以選擇結構（gòu）化網格進行劃（huá）分。由於（yú）噴（pēn）嘴、喉（hóu）管及加（jiā）熱塊部分相對（duì）於整體溫度場域，麵積較小，所以在噴（pēn）嘴、喉（hóu）管、加熱（rè）塊區進行網格細（xì）分，可以保證較高的計算（suàn）精度。邊（biān）界條件設置：熱分析（xī）中（zhōng）的邊界條件包括溫度、對流（liú）、輻射等，針對本文3D打印機的工作（zuò）環境（jìng）（打印ABS件），選擇加熱（rè）塊加熱處為300℃溫度邊界，電機底部為22℃邊界（jiè），傳熱方（fāng）式為接（jiē）觸（chù）麵的（de）熱傳導；選擇穩定架和發熱塊的表麵為有熱輻射表麵，輻射係數為0．3，熱傳導係數（shù）由各（gè）部件材料決定，在ANSYS庫中可以添加。

2．2 分析熱量分布和溫度場對（duì）噴頭變形的影響

根據上述研究，通過ANSYS軟件進行仿真試驗， 試驗條件對試驗結果的影響分析（xī）如下。 

2．2．1 溫度分（fèn）布對噴頭變形的影響

從熱膨脹原理知道，如果金屬部件受熱不均勻，兩 側溫度上升不一致，當上側溫度高（gāo）於下側時，金屬部（bù）件上側的膨脹量大於下側的膨脹（zhàng）量，從而使金屬部件向下彎曲，產生了熱變形。熱（rè）膨脹即（jí）材料因其固有（yǒu）的熱膨脹率而產（chǎn）生（shēng）的體積變化，它是膨脹產生的最主要原因， 由熱（rè）膨脹引起的膨脹量為： △L＝δ（L＋△／2）△t［8］ （1）式中：δ為材料的線膨脹係數（shù），℃－1；L為零件X、Y方向的尺寸，mm；△t為溫差，℃；△為製件的公差，mm （按 留（liú）有加工（gōng）餘量（liàng）進行取大補償）。 由圖1知，3D打印噴頭的誤差敏感方向是在（zài）X軸和Y軸方向上，即在這（zhè）兩個方向上的變形將直接影（yǐng）響（xiǎng）噴頭的打印精（jīng）度。3D打印噴頭的穩態溫度分布場仿真結果如圖2所示，

 

圖2（a）表（biǎo）示噴頭的（de）溫度場分布雲圖，圖2（b）表示噴頭（tóu）的總變形圖。總結圖（tú）2可得表1所示的數據。其中（zhōng），重要部件電機上的（de）溫度最高達到238℃，這對電機的工作性能和壽命影響（xiǎng）很大。總結表（biǎo）1，根據熱膨脹變形規（guī）律（lǜ）可以得出，此種結構的噴頭存在明顯的溫度差，導致穩定架和散熱片在噴頭打印敏感方向上產生熱變形，由圖2（b）可以看（kàn）出，最大變形（xíng）量發（fā）生在穩（wěn）定架（jià）上，其在（zài）X方向上的變（biàn）形量（liàng）最大，達到了0．298 mm，這對安裝在其上的噴（pēn）頭打印（yìn）精度產生很大（dà）影響。此外，由於被用來融化（huà）材料絲（sī）的溫（wēn）度大麵積（jī）傳遞到其它零（líng）件上，因此造成熱量的流失。

 

 

2．2．2總結熱分析結果分析噴頭熱量分布的（de）合理性（xìng）

當物體內（nèi）部存（cún）在溫（wēn）差，即存在溫度梯度時，熱量從（cóng） 物體的高溫部分（fèn）傳遞到物體的低溫部分稱為熱傳導。若是不同物體相接觸，熱量則會從高溫物體傳遞到低溫物體。熱（rè）傳導遵循傅裏葉定（dìng）律： q＊＝－Knn墜T 墜n （2） 式中：q＊為熱流密度；Knn為導熱（rè）係數；墜T墜n 為沿n向的溫度梯度；T為溫度；n為溫度分布圖中的法向方向；負號表示熱量流向溫度降低的方向。 物體（tǐ）通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射，物體溫度越高，單位時間輻射的熱量越多。係統中每個（gè）物體同時輻（fú）射並（bìng）吸（xī）收熱量，它（tā）們之間淨熱量（liàng）傳遞（dì）可以用斯（sī）忒藩－波（bō）耳茨曼方程來計算： q＝εσA1F12（T14－T24）（3）式中：q表示熱流率；ε表示輻射（shè）率（lǜ）；σ為斯忒藩（fān）－波耳（ěr）茨曼常數；A1表示輻射麵1的麵積；F12為由輻射麵1到輻（fú）射麵2的形狀係數；T1為（wéi）輻射（shè）麵1的絕對溫度；T2為輻射麵2的絕對溫度（dù）。由式（1）知，圖2結構（gòu）的噴頭（tóu）可明顯導致零（líng）件（jiàn）材料本身的熱變形，從而造成（chéng）在敏（mǐn）感方向X、Y方向的變形，影響噴頭（tóu）打印精度。依（yī）據整體熱變形雲圖看，最大變形量發生在穩定架上，並且由於打印噴頭定位安（ān）裝在其上，因此（cǐ）穩定架的變形量將直接作（zuò）用在打印誤差敏感方向上，分析其原因是由於加熱（rè）塊與穩（wěn）定架直接麵接觸（chù），本文經過3D打印噴頭仿真實驗，在所有的熱量傳遞方式中，麵接觸傳導對噴頭的變形影響最大，輻射影響相對很小，因此，在優化噴頭零件之間的（de）布局時，可以（yǐ）采用增（zēng）多熱輻射形式，減少（shǎo）大溫度差的麵接觸形式。