熔融沉积3D打印机的喷头机构优化设计.doc

熔融沉积3D打印机的喷头机构优化设计
摘 要:3D打印是一种新兴的实体制造技术。文章主要是针对喷嘴挤出机构进行了优化分析,对打印机X,Y和Z方向上的喷头位移定位精度进行了计算,并分析了喷嘴结构对熔融态聚合物丝材在挤出机构内撑部分的打印,有的打印内部支撑,有的打印外部填充,还有的两者同时打印。填充与支撑的打印虽然能够提升打印结构的稳定性,但也会使成型时间增加,降低打印效率。所以,在满足成型条件的情况下,要尽量缩短加工时间,并且尽量减小支撑结构。这样既减少材料的消耗,又缩短加工时间。零件在打印成型以后需要将辅助支撑去除掉一部分,将其内部填充在打印件内部,所以在支撑结构强度保证合格的条件下,内部填充结构的喷嘴直径与用来成型辅助支撑结构,可以大于打印零件模型的喷嘴直径,这样,打印效率得以提高。文章中挤出机构的设计将表面成形部分、内部填充部分以及外部支撑部分的层厚加以区分。辅助支撑层的厚度设置为3n,打印件外表面层的厚度设置为n,则内部填充层的厚度也设置为3n。
将打印模型按照上述层厚设置进行切片处理,打印机工作过程中挤出机构的运动情况有以下几种。
(1)切片数据对于挤出机构进行控制,依据切片对打印件表面进行打印,打印层的层数为3。
(2)切片数据对于挤出机构进行控制,分别对内部填充和辅助支撑两部分进行打印,打印层的层数为1。
(3)挤出机构按照上述两步骤进行循环式打印,直到得到最终的完成品。
根据以上算法,打印机的挤出机构喷嘴数量应该为3个。在这3个喷嘴中,打印内部填充与辅助支撑成型的喷嘴出丝口直径要大,而打印工件外表面成型的喷嘴的出丝口处的直径要小,同时与打印外表面成型的喷嘴出丝口直径成倍数关系。
该方式能够在保证成型精度的同时,按照成型部分不同,设定不同层厚,减少成型所需时间。
据此,在设计挤出机构时,对于喷嘴有以下两个要求:(1)负责打印工件外表面的喷嘴直径大于负责打印外部支撑和内部填充的喷嘴直径。(2)需要对不同的尺寸组合进行优化,选取效果最好的一组。
熔融态丝材的运动特性受会到喷嘴内部加热器尺寸参数的影响,并且与喷嘴外径及内径尺寸、锥形过度圆角等因素有关。可以利用有限元软件对已建立好的不同加热腔流道模型进行分析,并对得到的相关数据进行记录和分析。加热腔内部直径固定为2 mm,锥形过度角度始终保持60°,使打印速度保持恒定,流道外部直径为变量[5]。
在加热腔内径保持不变的情况下,丝材在内部的融化时间越长,所用的加热喷嘴外部直径尺寸越大,融化段的长度越长。但是,当加热腔喷嘴直径太小时,会致使热腔内壁与丝材的表面接触部分的区太小,通过这样的参数制造出来的加热腔壁面结构过薄,会使给丝材提供的热量不充足。当打印速度保持不变,加热腔外部直径保持6 mm不变,锥形过度角度恒为60°,而使加热腔内径为变量,研究丝材受到加热腔内径的影响。
丝材在内部的融化时间越短,所用的加热喷嘴内部直径尺寸越大,融化段的长度越短[6]。加热腔的渐变角对融化段长度影响较大,如果想要建立不同大小的模型进行模拟分析,就要改变渐变角的角度大小,软件分析出在不同渐变角下丝材完全熔融下的融化段长度。将锥形过度圆角采用不同数值,其他结构参数保持相同,发现加热腔内渐变角度大小会影响熔融段的长度。渐变