熔融沉积快速成型(Fused Deposition Modeling rapid prototyping,即FDM),也被称为丝状材料选择性熔覆,它是快速成型技术中应用最为广泛的一种成型工艺技术,其采用分层制造的方法来成型原形零件,喷头尺寸是喷头最为重要的工艺参数,不同的尺寸结构,影响树脂材料在喷腔内融化相变过程,如图1所示熔融沉积成型机喷头简图。
图l 熔融沉积成型机喷头简图
如何研制出工作精度高、可靠性好、效率高而且廉价的制造设备,是今后需要解决的一个问题,因此,本文对喷头不同尺寸结构进行分析。
1 固液共存区模型建立
所用的成型材料为ABS树脂材料,ABS树脂材料的成型温度在180~230℃,超过250℃将会出现降解。
ABS树脂材料在喷头内融化须经历固态过程一玻璃态过程(固液共存区)一液态过程三个过程。在熔融快速成型设备中,丝材(本文为ABS树脂材料)刚进入喷腔内处于固态区域,然后在固液共存区出现玻璃态,材料在喷腔内部形成融膜,由于加热块高温,可使相邻的丝材在接触界面上软化,丝材接触面的分子发生相互扩散作用。随着向下移动,随着相变潜热,丝料完全变为液态,最终从喷头内喷出。而融化段将出现固液两相共存区域,固相和液相的交界处也就是固、液体丝料的边界,如图2所示。
图2 固液共存区示意图
2 喷头尺寸结构设计
根据实验室喷头结构,设计出喷头二维几何模型,喷头进口截面直径为2mm,出口截面直径为0.3mm,其尺寸长度分别为13,15,20mm,如图3,4,5所示。
3 FLUENT数值模拟
在熔融沉积快速成型工艺过程中,本文设置树脂材料进丝速度为2.0 mm/s,喷头的温度为250℃。现对喷头尺寸长度为13mm,15mm,20mm结构进行模拟分析,具体分析如下所示。
(1)网格划分
图6 网格划分
(2)喷头长度为13mm的模拟分析
对图3所示的二维模型进行分析,其喷腔总长为13mm。如图7所示温度场,图8所示压力场,图9,图l0为喷头轴中心线上的温度分布与压强分布。