目前（qián）3D打（dǎ）印技術廣泛應用在珠寶首飾、鞋類、工業（yè）設（shè）計、建（jiàn）築、汽車（chē）、航天、牙科和醫療產（chǎn）業甚至美食等不同領域。熔（róng）融（róng）沉積造型（FDM）3D增材打印技術作為3D打印的主（zhǔ）要方式，具有可製作零部件品種多、改型（xíng）快、可以彩色成型的優點，但是，目前熔融（róng）沉積造型3D打印噴頭仍存在打印表麵質量和打印精度達不到工業要求以及打（dǎ）印頭製造成本高的（de）缺陷。針對上述問題，本文通過研究3D打（dǎ）印噴頭的熱合（hé）理性（xìng），對其熱量分布和溫度場（chǎng）作相應分析，進一步優化設（shè）計3D打印（yìn）噴頭的結構，使其在提高打印表麵精度的同時製造成本也大大降低。

 

1 熔融沉積造型3D打印噴頭（tóu）工作原理 

3D打印技術是指通過連續（xù）的物理層疊加，逐（zhú）層（céng）增 加材料來生成三維實體（tǐ）的（de）技術（shù），與傳（chuán）統的去除材料加（jiā）工技術不同，因（yīn）此又（yòu）稱添加製造。熔融沉積造型采用熱熔噴頭，使處（chù）於半流動狀態的材（cái）料按CAD分層數（shù）據控製的路（lù）徑擠壓並（bìng）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（xiè）係（xì）統、數控係（xì）統、噴射係統、成型環境等（děng）。本（běn）文（wén）所研（yán）究內容主要涉及噴射係統。基於熔融（róng）沉積製造技術的3D打印機噴頭的工作原理如圖1所示，

 

3D打印機噴頭由定位區、進給區、熔絲（sī）區和增材區組成。定位區作（zuò）用是使絲料初定位，讓絲料能準確流暢地（dì）進入進給區；進給區（qū）由主動（dòng）齒（chǐ）輪和從動軸（zhóu）承輪組成，兩輪中間（jiān）保持特（tè）定的間隙，間隙大小值要足以使絲料在兩輪的夾緊摩擦力F作用（yòng）下向前（qián）穩定運動；熔絲區由喉管通道、穩定架、隔熱層和（hé）加熱塊組成（chéng），在（zài）此處未熔化的絲料（liào）和熔融狀的絲料在通道中形成活塞作用，迫（pò）使絲料（liào）從噴嘴噴出（chū）；增材區由噴嘴、工作台和工件組成，在增材打印過（guò）程中，X、Y方（fāng）向由（yóu）噴頭運動（dòng）控製（zhì），Z方向（xiàng）即每層打印厚度由工作台上下運動（dòng）控製。從其（qí）原理可知，造成打印表（biǎo）麵精度差的原因在於噴頭在X、Y向的運動，本文不研究控（kòng）製噴頭運動的電機精度和絲杠傳（chuán）動精度等因素（sù），而從噴頭由於加熱塊（kuài）高溫引起的在X、Y向變形（xíng）量展開研（yán）究，進而為優化改進噴頭（tóu）機構提供理論依據。

 

2 仿真分析 

2．1 噴（pēn）頭幾何模型建立及（jí）邊界條件設置

3D打印噴頭主要（yào）采用三種材料：鋁、銅、鐵，從ANSYS自帶的工程材料數據庫中（zhōng）依（yī）據零件的要求，選 擇相應的材料AluminumAlloy（鋁）、CopperAlloy（銅）、StructuralSteel（鐵），在熱分析中主要涉及材料的（de）熱導率（lǜ）、比（bǐ）熱容、輻射係數（shù）等，由於本文計（jì）算模型的結構都不（bú）是太複雜，同時計算溫度場的麵積又比較大，所以選擇結構化網格進行劃分。由於噴嘴、喉管及加熱（rè）塊部分相對於整體溫度（dù）場域，麵積較小，所以在噴嘴、喉（hóu）管、加熱塊區進（jìn）行網格細分（fèn），可以保證較高的計算精度。邊界條件設置：熱分析中（zhōng）的邊界條件包括溫度、對流、輻射等，針對本文3D打印機的工作環（huán）境（打印ABS件），選擇加熱塊加熱處為300℃溫度邊界，電機底部為22℃邊界，傳熱方式為接觸麵的熱傳導；選擇穩定架和發熱塊的表麵為有熱輻射表麵（miàn），輻射係數為0．3，熱傳導係數由各部件材料決定，在ANSYS庫中（zhōng）可以添加。

2．2 分析熱量分布和溫度場對噴頭（tóu）變（biàn）形的影響

根（gēn）據上（shàng）述研究，通過ANSYS軟件進行仿真試驗（yàn）， 試驗條件（jiàn）對（duì）試驗結果的影響分（fèn）析如下。 

2．2．1 溫度分布（bù）對噴頭變形的影響

從（cóng）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（yī）致，當上側溫度高於下側（cè）時，金屬部件上（shàng）側的膨脹量大於下側的膨脹量，從而（ér）使（shǐ）金屬部件向（xiàng）下彎（wān）曲，產生了（le）熱變形。熱膨脹即材料因其固有的熱膨脹率而產生的體積變化，它是（shì）膨（péng）脹產生的最主要原因（yīn）， 由熱膨脹引起的膨脹量為： △L＝δ（L＋△／2）△t［8］ （1）式中：δ為材料的線（xiàn）膨脹係數，℃－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 留有（yǒu）加工餘量進行取大補償）。 由圖1知，3D打印噴頭的（de）誤差敏（mǐn）感方向（xiàng）是在X軸和Y軸方向上，即在這（zhè）兩（liǎng）個方向上的變形（xíng）將直（zhí）接影（yǐng）響噴頭的打印精度。3D打印噴頭的穩態溫度分布場仿真結果如（rú）圖2所示，

 

圖2（a）表示噴頭的溫度場分布雲圖，圖2（b）表示噴頭的總變形圖。總（zǒng）結圖2可得表1所示的數（shù）據。其中，重要部件電機上的溫度最高達（dá）到238℃，這對（duì）電機的工作性（xìng）能（néng）和壽（shòu）命影響（xiǎng）很大。總結（jié）表1，根據（jù）熱（rè）膨脹變形規律可以得出，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（dǎ）印（yìn）敏感方向上產生熱變形（xíng），由圖（tú）2（b）可以看出，最大變形量發生在穩定架上，其在X方向上的變形量最大，達到了0．298 mm，這對安裝（zhuāng）在其上的噴頭打印精（jīng）度產生很大影響。此外，由於（yú）被用來融化材料絲的溫度大麵積傳遞到其它零件上，因此造成熱（rè）量的流失。

 

 

2．2．2總結熱分析結果分析噴頭熱量分布的合理性

當物體內部（bù）存（cún）在溫差（chà），即存在溫度梯度時，熱量從 物體的高溫部分傳遞到物體的低溫部分稱為熱傳導。若是不同物體相接（jiē）觸，熱量則會從高溫物體傳遞（dì）到低（dī）溫物體（tǐ）。熱傳導遵循傅（fù）裏葉定律： q＊＝－Knn墜T 墜（zhuì）n （2） 式中：q＊為熱流密度；Knn為導熱係數（shù）；墜T墜n 為（wéi）沿n向的溫度梯度；T為溫度；n為溫度分布圖中的法向（xiàng）方向；負（fù）號表（biǎo）示熱量流向溫度降低的方向。 物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻（fú）射，物體溫度越高，單位時間輻射的熱量越多。係統中每個物體同時輻射並吸收熱（rè）量，它們之間淨熱量傳（chuán）遞可（kě）以用斯忒藩－波耳（ěr）茨曼方（fāng）程來（lái）計算： q＝εσA1F12（T14－T24）（3）式中：q表示（shì）熱流率；ε表示輻射率；σ為斯忒藩－波耳茨曼常（cháng）數；A1表示輻射麵1的麵積；F12為由輻射麵1到輻射麵（miàn）2的形（xíng）狀係數；T1為輻射麵1的絕對溫度；T2為輻射麵2的絕對溫度。由式（1）知，圖2結構（gòu）的噴頭可明顯導致零件材料本身的熱（rè）變形，從（cóng）而造成在敏感方向（xiàng）X、Y方（fāng）向的變形，影響噴頭打印精度。依據整體熱變形雲圖看，最大變形量發生（shēng）在穩定架（jià）上，並且由於打印噴頭定位安裝在其上，因此穩定架的變形量將直接作用在打印誤差敏感方向上，分析其原因是由於加熱塊與穩定（dìng）架直接（jiē）麵接觸，本文經過3D打印噴頭仿（fǎng）真實驗，在所有（yǒu）的熱量傳遞方式中，麵接觸傳導對噴頭的變形影響最大，輻（fú）射影響相對很小，因（yīn）此，在優化噴頭零件之間的布局時，可以采用增多熱輻（fú）射形式，減少大溫度差的麵（miàn）接觸形式。