熔融沉积成形喷嘴结构设计及热力耦合分析

彭彦龙， 陈建刚,2*， 王 聪， 柳 召， 石舒婷， 韩 悦

(1.陕西理工大学 机械工程学院， 陕西 汉中 723000； 2.西安交通大学 机械工程学院， 陕西 西安 710049)

熔融沉积(Fused Deposition Manufacturing，FDM)成形工艺主要用于非金属材质零部件的增材制造，其工艺是将熔融态的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile Butadiene Styrene Plastic，ABS)或聚乳酸(Poly lactic Acid，PLA)等丝材，通过金属材质喷嘴热塑性挤压，逐层累加，形成具有复杂型腔结构的零部件，该工艺在航空、航天、轨道交通、生物工程等领域，都具有一定的应用前景[1]。

喷嘴是非金属熔融沉积成形设备的核心部件，其结构、材质、性能决定着成形工艺的精度。2016年，胡镔等[2]针对不同材质喷嘴结构，进行热场和应力场的多物理场耦合，有助于高温FDM喷嘴的研究与优化；Jerez-Mesa等[3]针对喷头的热传导和温度分布，分析了冷却风扇气流对打印过程传热机理及热量损耗产生的影响；任汪洋[4]采用模糊控制结合PID控制法，优化了FDM喷头的稳定性，使喷口出丝速度变得平稳；王占礼等[5]针对FDM成形工艺过程中，对流经喷嘴的ABS进行静力学分析，有效降低了ABS发生的流涎现象；高强等[6]采用田口方法和有限体积法，研究了FDM喷嘴的收敛角、过渡圆弧半径、整流段长度，发现收敛角越小，过渡圆弧半径越大，喷嘴出口速度越稳定；白鹤等[7]采用ABAQUS软件，得到了改进后的喷嘴温度场云图，结合试验过程研究，有效提高了传统喷嘴的成形效率；DING Shou-ling等[8]通过对聚醚酮(PEEK)和聚醚酰亚胺(PEI)成形件的形貌分析，研究了喷嘴温度、打印轨迹与成形件材料性能之间的关系；秦望等[9]设计了一种新型双螺杆挤出式3D打印成形设备，主要用于解决耗材范围有限、出丝不稳定、喷头易堵塞等问题。……