熔融挤压快速成型机融化特性研究

2015-01-15刘桓龙于兰英吴文海

现代机械 2015年1期

关键词：机筒段长度外径

罗攀，柯坚，刘桓龙，于兰英，吴文海

(西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)

0 引言

熔融挤压快速成型机的加料系统采用一对滚轮加持直径约为2 mm的丝状料插入加热腔入口，料丝在加热腔内加热熔融，粘度降低，并从出口流出，实现熔融沉积挤压。此种挤出机加料系统的原理与结构示意图见图1。

图1 加料系统的结构图

料丝进入挤出机加料口之后，受到机筒的加热，逐步升温。随着料丝表面温度升高，物料熔融，形成一段料丝直径逐渐变细直到完全熔融的区域，称为熔化段［1］。

在融化段中，尽管料丝在加料段中已经被预热，但还没有达到熔融状态。随着此处的料丝继续被机筒加热，料丝的表面温度不断升高，表面慢慢形成一层熔融态的料丝。随着时间的继续，柱塞装料丝一层一层的熔融，直到固态料丝完全变成熔融态。

1 模型的建立

在熔融挤压快速成型机中，料丝在自加压力的作用下稳定的向前移动，继续受到机筒的加热，当固体表面温度达到料丝的熔点时，融化段开始，在机筒内部形成环形融膜，随着向下移动，逐渐向料丝的中心发展，最终达到全部熔融。而这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体料丝的边界，如图2所示。

图2 融化段固液共存区示意图

1.1 速度场的建立

熔融的ABS塑料是非牛顿流体，在圆管层流中的平均速度方程［2，3］:

在管轴处的最大流速方程［2，4］:

式(1)/式(2)得:

图3是根据式(3)绘制出来的，它表明层流流速分布与流变指数n的关系。

图3 圆管中不同流体层流流速分布示意图

当n=0时，即为牛顿流体，断面上的流速分布是均匀的;当n＜1时，即为剪切稀化流体，断面上的流速分布曲线比牛顿流体扁平，流速梯度小;当n＞1时，即为剪切稠化流体，断面上的流速分布曲线比牛顿流体陡峭，流速梯度大。

而对于ABS塑料的流动指数非常小的非牛顿流体而言，由图中可以推测得出ABS塑料的流动分布为柱塞流动，其熔体的的速度可以看成一个常数。

1.2 温度场的建立

在融化段中，温度之间的传热关系有三种:机筒的传递热量、熔体之间的剪切热、圆筒内料丝的轴向传热。

由1.1中熔体的速度分布可知，熔体在做柱塞流动，流体状态下的各点速度可以看成常数，相对速度为零，受到的剪切作用很小，熔体之间产生的剪切热也很小，可以忽略不计。

同时由于融化段的长径比较大(20∶1)，所以料丝的固液分界面的变化是很缓慢的，料丝的固相温度梯度和液相温度梯度很小，轴向之间的温差不大，因而可以近似看成轴向之间是没有热量传递［5，8］。

因此，融化段中热量传递是由于机筒的外面的加热器传递的热量，也就是热量传递只发生在径向。

2 Fluent仿真

2.1 分析简化

打印机开始启动的时候，加入的物料是圆柱体的，可以把料丝当作一个一个的“小圆柱体”。在加料段中，在前进过程中由于摩擦和机筒加热的联合作用下使“小圆柱体”进行预热。也就是说，融化段入口截面就是料丝加料段出口截面。由料丝加料段的压力、速度和温度分布求得时，融化段的入口条件就已知了。

根据以上各种分析，可以选取料丝的一小段，“小圆柱体”进行模拟计算。这个“小圆柱体”的主要热量来源于机筒的热传导。

在Fluent软件当中，相变问题是它强大的分析功能之一。由于“小圆柱体”的材料是高聚物塑料，则“小圆柱体”的相变问题实际上就是一种非线性的瞬态热分析问题。而非线性和线性的问题是有区别的，必须要考虑相变过程中吸收或释放的潜热，所以应该在Fluent软件中通过定义材料随温度变化的焓来表示潜热。

2.2 模型参数

根据市场调查，常见的打印机的机筒内径为2 mm;机筒外径为6 mm。机筒外表面加热器的热流密度为0.1 W/mm2。所以就可以知道打印机机筒的结构如图4。

图4 机筒的物理模型

利用Fluent软件对打印机机筒如图4进行仿真计算，建立的计算模型如图5所示。

图5 仿真计算模型

选取的是打印机中应用最广泛的打印材料ABS塑料物料，ABS的参数:物料的熔点Tm为105℃;热传导率Ks0.36 W/(mK);密度ρ1 050 kg/m3;比热容Cps2 300 J/(kg·K);热焓 ΔH3.7 ×106J/kg;黏度 u为0.001 79 kg/m。

固体物料的初始温度T为70℃;机筒内壁的初始温度T为77℃;

2.3 仿真结果

通过软件分析，从输出的液相比可知，如图6温度分布场分布所示，可以得到在经过t=3 s后，“小圆柱体”的中心温度达到了106℃，满足了完全融化的要求，进而进入熔融段。由于“小圆柱体”是匀速向前运动的，又已知固体物料的输送速度，可以计算得到融化段所需的长度。在本例中，计算结果为12 mm，与实际生产的设备尺寸相符。