FDM（熔融沉積成型）是目前應用最廣泛的3D打印技術，主要是因為其整個系統構造原理和操作都比較簡單，并且后期維護使用成本較低以及不需要太多的后處理工序，但該技術由于自身成型工藝的原因，成型件表面成型質量還有待提高。

 

隨著該技術的飛快發展，FDM桌面機已經開始進入到人們的日常生活中，那么對成型件表面的精度要求也越來越高。在影響表面成型精度各種控制因素中，整個打印腔室內溫度控制是最重要的一個因素。若整個成型腔室溫度過高，會造成成型件在打印過程中出現變軟、坍塌等打印缺陷；若整個成型腔室溫度過低，會造成成型件在打印過程中層與層之間存在粘接不牢等打印缺陷。那么整個成型腔室內溫度分析對成型件的表面質量有著重要的影響。

 

本期增材專欄，基于某款FDM桌面機對其整機成型腔室的溫度進行散熱仿真分析，以獲得其整個成型腔室內部溫度分布狀況，同時對其散熱結構進行了相應的優化，獲得原方案和優化方案的對比結果，為后期產品的設計改進提供了參考依據。

 

FDM桌面機模型簡化處理

 

FDM桌面機主要由腔室框架、噴頭系統、送絲系統、運動結構、加熱系統、成型平臺以及其他附件等部分組成，具體可參見圖1所示。FDM桌面機整機模型結構比較復雜，在仿真計算中，需要把一些對整機成型腔室溫度仿真分析影響不大的部件進行忽略。

 

圖 1某FDM桌面機整機模型

 

圖 2某FDM桌面機簡化后模型

 

在本文仿真模型中，只考慮腔室框架、噴頭系統、送絲系統、部分運動件和成型平臺，腔室框架內：上壁板以頂蓋為邊界做模型簡化，去掉加強筋；下壁板以成型平臺為邊界簡化為平面；送料電機按外殼形狀做簡化，風扇按外殼形狀簡化為方塊體，具體可參見圖2所示。

 

同時對一些結構（比如噴頭系統）進行模型簡化。噴頭系統按噴頭保護罩形狀簡化，不考慮內部風道與結構，按照柵格面積折算表面開口大小，具體可參見圖3和圖4所示。

 

圖 3簡化前噴頭幾何模型

 

圖 4簡化后噴頭幾何模型

 

散熱仿真模型的建立

 

整個仿真模型是基于仿真軟件Fluent19.2進行搭建，由于結構復雜，使用四面體劃分網格，在細小結構附近采用小尺寸1mm捕捉曲率變化,模型中最小間隙尺寸為2.5mm,這樣保證小間隙內至少有2層網格。網格總數為4031335，最大網格畸率為0.848,網格質量過關，具體可參見圖5所示。

 

圖5 某FDM桌面機網格模型（X=0截面）

 

同時對仿真模型進行了如下假設：室溫為20攝氏度；電機發熱功率為1W；框體和門板與外界的對流換熱系數為5W/m2.K；所有內部固體面絕熱。

 

腔體內空氣流動受噴頭罩內的兩個風扇的驅動。只考慮外流場的情況下對模型邊界做了如下簡化，風量折算為質量流量，加載在A in。風量折算為質量流量，平均成3等份加載在B1 in、 B2 in、B3 in位置。A out和B out設置為壓力邊界。

 

圖6噴頭邊界設置1

 

圖 7噴頭邊界設置2

 

在某FDM桌面機中，噴頭是一個主要的熱源，噴頭處的散熱會對整個腔室內的溫度場分布產生重要的影響，因此本文針對噴頭處原方案和優化方案進行對比分析。

 

表 1 某FDM桌面機整機腔室內散熱分析不同方案描述

 

仿真計算結果及分析

 

從仿真分析結果來看：除出入風口位置流速較大，整個腔體的流動并不劇烈，噴頭附近流體運動方向見速度矢量圖。最大速度出現在A in位置，噴向打印機底板。另外從B3口的流出速度也較大，噴向打印機頂板，具體可參見圖8和圖9所示。

 

圖8 速度云圖Z=0（原方案）

    

圖9 速度矢量圖Z=0（原方案）

 

某FDM桌面機整機腔室在X=0截面處原方案和優化方案的溫度分布分別見圖10和圖11所示，原方案和優化方案的X=0截面處平均溫度分別為161.5℃和146.2℃,優化方案比原方案的平均溫度降低了15.3℃，降低了9.5%，溫度下降近幅度比較明顯。

 

圖10 溫度云圖X=0（原方案）

 

圖11溫度云圖X=0（優化方案）

 

表 2 原方案和優化方案的溫度仿真分析結果對比

 

結論

 

從以上分析結果可以看出:在噴頭處添加風扇可以大大降低整個成型腔室內的平均溫度，對成型件的表面質量有顯著的影響。打印過程是瞬態過程，并且隨著打印時間的增加，打印過程累計熱量，內部溫度會越來越高，本文分析只是進行了穩態計算，沒有考慮累計熱量。但是這種穩態設置考慮的是極端工況，模擬一直進行打印，周邊介質已經被加熱到熱平衡的狀態，溫度分布會比真實操作中高。