增材专栏 | 基于Fluent的散热仿真分析在FDM喷嘴散热上的应用
熔融挤出成型(FDM)工艺是利用高温将材料融化成液态，通过打印头挤出后固化，最后在立体空间上排列形成立体实物。这种工艺所应用的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，以丝状供料。
材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。该过程中每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。
FDM成型技术使用、维护简单，成本较低的优点使得该工艺有可能直接制造功能性零件。然而这种快速成型技术也存在他的局限，例如原型的表面有较明显的条纹，表面光洁度较高的产品需要后处理；在与截面垂直的方向强度小；需要设计和制作支撑结构。成型速度相对较慢，不适合构建大型零件；喷头容易发生堵塞，不便维护。
因此，FDM喷头的结构设计是这种快速成型技术的技术关键。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。
FDM桌面机模型简化处理
某款FDM打印机的喷头模型如图2-1，其中上半部分为散热装置，下半部分加热及测温装置。该FDM机型可以实现的最大进料流量约为50.5cc/h，转化成进料速率约为5.83mm/s。为减少打印成本，加快打印速度，对现有模型进行优化，通过调整喷头结构，打印参数等方法。
图2-1 FDM机型喷头构造
通过对实验结果的观察得出，加热温度，进料速度以及料材的直径都会影响打印过程的热效率，因此本文目的在于探究打印过程中加热温度，进料速度与进丝情况之间的关系，希望结合物理实验确定针对目前FDM的打印喷头目标打印料材流量是否合理，并找出可以满足目标打印料材流量的最优参数。
散热仿真模型的建立
此次计算的目的是探究打印过程中加热温度，进料速度与进丝情况之间的关系。因此本文仅关注喷头内部的温度场，而对喷头周围的空气流场不做研究。计算过程中，先对其进行稳态计算，即模拟加热块的预热阶段。当得到料材暂停进料时的温度分布后，在此基础上对料材给予不同的速度开启瞬态计算直至温度分布稳定。
本文主要关注FDM机型的喷头处的温度及热量分布，需要对喷头模型进行简化，即保留对温度有明显影响的材料的部件，保留实验中主要关注的部件。
针对流体仿真分析计算，模型处理使用Ansys spaceclaim 19.2，网格划分使用Fluent Meshing 19.2，计算使用Ansys Fluent 19.2版本，后处理使用CFD POST 19.2。
仿真计算结果及分析
本文采用的是瞬时分析，但图4-1仅展示了预热后喷嘴处YZ截面温度分布图，所展示的云图为240s(4min)时的温度分布。从喷头的温度分布图可以看出：温度分布图中颜色代表了温度的大小。蓝色为最小温度，红色为最大温度。其中喷头整体温度范围云图中喷头温度范围约为26.85°C—225°C，即计算域内最大温度跨度。由计算可知，该时刻温度分布基本处于平衡。
图4-2打印时喷嘴处YZ截面温度分布图（240s）
结论
文章中所运用的计算模型较好的验证了对应的物理实验趋势，此种方法在探究打印过程中加热温度，进料速度与进丝情况之间的关系的机理过程中可以做出趋势性预测，针对最适加热温度与丝材型号的选择中提供指导。
