熔融沉积快速成型喷头有限元辅助设计_王伊卿

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1、2009年6月航空精密制造技术Jun．2009第45卷第3期AVIATIONPRECISIONMANUFACTURINGTECHNOLOGYVol．45No．3特种加工熔融沉积快速成型喷头有限元辅助设计*王伊卿，方勇，乐光，卢秉恒（西安交通大学制造系统工程国家重点实验室，陕西，西安，710049）[摘要]对两种典型结构熔融沉积快速成型喷头中材料的压力场和速度场进行了有限元分析和实验验证。结果表明，外置喷嘴出口压力骤降，出丝阻力增大；喷嘴外置式喷头由于融化罐与喷嘴材料流动速度矢量的极度不一致，材料补充不及时，导致断丝现

2、象；一体化喷头融化罐内材料流动速度矢量和喷嘴出丝方向一致，保证出丝顺畅。[关键词]熔融沉积；喷头；有限元；工艺优化[中图分类号]TH122[文献标识码]A[文章编号]1003-5451（2009）03-0032-05FiniteElementAidedDesignofNozzleHeadinFDMWANGYi-qing,FANGYong,LEGuang,etal.（StateKeyLaboratoryforManufacturingSystemsEngineering,Xi'an710049）[Abstract]Th

3、epressureareaandvelocityareaofmaterialintwotypicalstructurenozzleheadofairpressedfuseddepositionmodeling(FDM)areanalyzedwithfiniteelementmethodandconfirmedbyexperiments.Theresultsshowsthatthepressurenearthenozzleoutletwithoutsidejetnozzledropdownsuddenly,thisca

4、nleadthesilksqueezeoutresistanceincrease.Thematerialflowvelocityvectorextremelyinconsistentbetweenthemeltingpotandjetnozzleinthenozzleheadwithoutsidejetnozzle,thematerialisnotsuppliedintimeandleadsthematerialsilkbreak.Thematerialflowvelocityvectorbeingconsisten

5、twiththesilksqueezeoutdirectioninthenozzleheadwithoverallstructureguaranteesthesilksqueezeoutsmoothly.[Keywords]fuseddeposition;nozzlehead;finiteelement;processoptimization1引言AJS基本工作原理是将成型材料加热到呈低粘度的熔融状态，采用压缩空气作为动力源，将熔融材AJS（AirPressureSolidification—气压式熔融沉料由喷头挤出

6、，控制喷头进行扫描运动，使成型材料积）是西安交通大学基于FDM技术开发的快速成型沉积于工作台或前一沉积层上，当一层的扫描堆积系统，如图1。完成后，工作台沿Z向下降一个层厚的距离，继续下一层的制作，并实现层与层之间的粘结，最终制造[1~2]出整个零件。本文研究的AJS系统，适用于蜡与硬脂酸镁的混合材料的熔融挤压成型，所制作模型，适合用于精密铸造的蜡型。图1AJS快速成型机系统的硬件主要由控制系统、机械传动系统、气*国家科技支撑计划项目（2006BA04B14）·32·《航空精密制造技术》2009年第45卷第3期体供给系

7、统以及喷头等组成。喷头的结构、喷嘴直径以及压力、温度等工艺参数等直接决定了AJS系统的成丝质量及成丝速率。本论文采用有限元和实验相结合的研究方法，计算了目前AJS普遍采用的两种典型结构的喷头在熔融挤压出丝过程中，融化罐和喷嘴交界处材料的压力分布、速度分布，分析了(a)喷嘴外置式喷头；(b)融化罐、喷嘴一体化喷头喷头结构对成丝性能的影响。最后，通过实验测定图3喷头截面网格模型了加热温度、气压对出丝速度的影响，在理论出丝速熔融材料为蜡与硬脂酸镁的混合材料，蜡与硬3度判据指导下，得到了喷嘴直径、加热温度以及气压脂酸镁的质量

8、比为5:1，密度为0.945g/cm，粘度设的参数组合。定为20Pa.s。熔融材料与喷头内壁接触的边界线X、Y两方向的流动速度均设为0。熔融材料与压缩气2熔融挤压喷头结构设计体接触的边界线设定压力相对于标准大气压为0.1MPa。喷嘴出口设定压力相对于标准大气压为0。目前，AJS普遍采用的喷头结构如图2所示，熔图4所示为外置喷嘴结构的喷头融化罐、