长五B揭开我国“太空制造”序幕，请跟我一起学FDM 3D打印技术！

导读：据中国载人航天工程办公室消息，2020年5月5日18时00分，为我国载人空间站工程研制的长征五号B运载火箭在文昌航天发射场点火升空，约489秒后，载荷组合体与火箭成功分离，进入预定轨道。

于5月8日13时49分，长征五号B成功降落在东风着陆场，此次试验船飞行任务的圆满成功标志着我国载人航天工程“第三步”任务开启。在人类探索太空过程中，设备和材料的“补给线问题”，一直阻碍着人们飞向更远空间。随着太空3D打印技术快速发展，实现航天器零部件的“自给自足”正在成为可能。

此次新一代载人飞船试验船就通过对在轨3D打印的验证揭开了我国“太空制造”的序幕。长五B的首飞不仅完成了3D打印太空实验，还搭载了基于金属3D打印技术的立方星部署器和防热大底的框架，为3D打印在航天领域的大规模应用储备了技术。

长征五号微重力陶瓷打印

长征五号微重力金属打印

除了应用在航空航天这种高精行业，3D打印技术凭借着他轻量化，个性化等特点已经悄悄地遍布我们的生活。从航空航天，汽车领域，到日常穿戴，家装内饰都少不了他的身影。Mini Cooper(BMW)就已将polyjet 3D打印技术应用于现有车型的车灯, 另外FDM 3D打印技术也以其经济快捷的特点应用于很多车型的内饰及夹具等等。

与我们生活更加息息相关的穿戴逐步应用了3D打印技术。例如Adidas利用CLIP 3D打印鞋中底为用户带来更强大的回弹和爆发力，提升了鞋款的抓地力。

3D打印，又称增材制造，是一种快速成型的技术。它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。根据不同的及材料，常见的3D打印技术有以下几种。

其中，FDM又称熔融沉积成型，是迄今为止最容易获取且使用最广泛的 3D 打印工艺。FDM 3D打印技术根据软件预设的坐标挤出热塑性塑料丝，自下而上逐层构建零件。

这种打印技术主要以ABS、尼龙、PC等热塑性线装材料为原料，操作便捷，体积小巧，清洁易用，适合办公室环境；打印出的零件具有很好的耐热性和化学强度；它可实现其他技术无法制造的复杂几何形状和内腔。

除此之外，FDM 3D打印技术免除了生产过程中繁琐的工序，便于随时更改设计，降低生产成本，极大缩短生产周期。综上考虑，FDM 3D打印技术在众多快速成型技术中有很好的发展前景，故对FDM 3D打印机型的设计研究很有必要。

FDM打印机设计的基本思路是在喷嘴处对打印材料瞬间加热使其软化至粘流态，丝材挤出至底板上后冷却成型，从而打印出零件。所以这个技术难点之一是喷嘴处精准的温度控制。针对这一设计中常见的问题有：

• 问题1：加热片至喷嘴顶端区域由于散热使材料提前凝固造成堵塞。

• 问题2：加热片以下区域，由于受热温度升高，使输料管中材料弯软影响挤料。

如上所述，FDM喷头的结构是这种快速成型技术的技术要点。好的喷头结构可以最大效率的利用热量，完成精准的温度控制，使打印丝材在打印过程中快速且稳定的完成熔化凝固的过程。

而基于CFD的仿真计算可以高效经济的

1. 通过对输料管中打印料材温度的初步模拟，判断打印过程中输料管内的料材所处的状态以及喷嘴内温度分布。

2. 对加热和散热结构进行设计和改进来达到对料材状态的控制，例如加热块的温度与尺寸，散热片及风扇的结构等。

所以，通过与物理实验的结合，CFD仿真计算在FDM机型的设计改进过程中有指导性的作用，它使设计人员更加细致的观察打印机内部的特性变化，从而找到好的解决问题方案。

同时，仿真计算避免了真实物理模型的建立，从而利于缩短研发周期。因此一套完整的评估FDM喷头性能的CFD流程在设计中尤为重要，他首先要基于工程经验对现有喷头模型进行简化，以后的操作过程包括几何结构简化，网格划分，仿真计算设置及后处理。

FDM喷头性能评估流程

1、几何模型处理

• 散热模型处理的注意事项（缝隙，边界条件）

• 针对FDM工艺打印机的散热模型处理的注意事项

2、网格划分

• 流体区域散热网格划分

• 固体区域散热网格划分  
  

3、模拟计算设置

• 稳态分析
• 瞬态分析

• 对各种工况的讨论

4、后处理

温度云图及速度流线图

不同喷头结构输料管中的温度分布曲线

通过这一系列对喷嘴性能的计算及分析，可以使工程师们更好的了解喷头在打印过程中表现，从而分析其对打印质量的影响，有助于对现有模型结构的进一步完善。

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3D打印FDM打印机散热分析及优化设计案例9讲

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