新研究：CT掃描儀分析桌面3D打印機(jī)熱嘴處材料的熔化和流動

CT 技術(shù)廣泛應(yīng)用于 3D 打印行業(yè)，特別是金屬激光粉末床熔融工藝。CT可以檢查成品零件是否存在內(nèi)部空隙或裂紋。2023年9月，南極熊獲悉，來自斯圖加特大學(xué)藝術(shù)學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)開辟了新領(lǐng)域，應(yīng)用 CT 掃描來檢查桌面 3D 打印機(jī)的熱端。他們的研究成果已經(jīng)發(fā)表在《Additive Manufacturing》，題目為《Analysis of melting and flow in the hot-end of a material extrusion 3D printer using X-ray computed tomography》（《使用 X 射線分析材料擠出3D打印機(jī)熱端的熔化和流動》）



研究團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)是配備 E3D-V6 熱端和 Duet 板的 Bondtech LGX 擠出機(jī)，CT 掃描儀放置在配件附近。為了獲得最佳 CT 掃描效果，原來的加熱器塊被更換為專門的鋁制零件。采用稱重傳感器來測量通過噴嘴擠出所需的力。團(tuán)隊(duì)采用 360° CT 掃描來觀察擠壓過程中的材料。使用的燈絲是 HIPS，這是一種有點(diǎn)非常規(guī)的選擇，并摻有鎢作為造影劑。研究團(tuán)隊(duì)的成員在不同的打印溫度（220°C、240°C 和 260°C）下進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。


△實(shí)驗(yàn)裝置

該研究探討了壁滑移效應(yīng)、材料流動和擠壓所需的力等方面。主要研究結(jié)果表明，提高長絲擠出速度可以擴(kuò)大噴嘴內(nèi)的熔體區(qū)域。然而，更快的速度也意味著長絲加熱和熔化的時(shí)間更短。此外，在較高的擠出速度下，細(xì)絲在進(jìn)入打印頭時(shí)更容易彎曲。



經(jīng)過仔細(xì)檢查，研究小組發(fā)現(xiàn)細(xì)絲在噴嘴壁上保持靜止，在噴嘴中心達(dá)到最大速度。他們還觀察到，較高的擠出速度可能會產(chǎn)生更大的力，從而可能導(dǎo)致擠出問題。研究人員提出了一種解決方案，建議設(shè)計(jì)具有更長槍管的噴嘴，特別是對于高速打印應(yīng)用。他們的目標(biāo)是更深入地研究打印頭的內(nèi)部工作原理并研究長絲的熔化行為。

研究人員表示，應(yīng)該花更少的時(shí)間在功能、移動速度和軟件上，而花更多的時(shí)間研究在噴嘴內(nèi)部發(fā)生的事情上。對實(shí)際熔化的深入探索，可以提供噴嘴設(shè)計(jì)方向和噴嘴參數(shù)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。在噴嘴上制作某種圖案可以改善 3D 打印機(jī)的熔化行為，新的更長的噴嘴可以打印得更快、更準(zhǔn)確。也可以測試哪些設(shè)計(jì)和材料是最佳的。

目前，桌面級長絲3D打印機(jī)非常關(guān)注運(yùn)動控制，開發(fā)人員設(shè)計(jì)皮帶、滑輪、校準(zhǔn)和底盤組件，以制造更好的打印機(jī)。但是，定位噴嘴以連貫地?cái)D出物料是其他行業(yè)的許多其他公司在做的一部分。在工藝過程中，長絲在哪里熔化以及如何熔化、在什么溫度和壓力下熔化是十分關(guān)鍵的，也是值得關(guān)注的。隨后，液滴的形成和實(shí)際沉積也非常重要，因?yàn)橐旱稳绾纬蔀槌练e以及該沉積路徑如何與下面的層結(jié)合對產(chǎn)品性能的影響十分重要。研究人員表示，希望看到與此領(lǐng)域相關(guān)的更多研究

研究一共進(jìn)行了三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：
●在第一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行了 360° CT 掃描，重點(diǎn)關(guān)注燈絲和噴嘴壁之間的氣隙。


△用于射線照相的熱端示意圖

●在第二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，使用射線照相技術(shù)研究了噴嘴內(nèi)的流動剖面。為了與周圍的噴嘴材料提供良好的對比度，制備了含有少量鎢粉作為對比劑的燈絲。


△CT 掃描橫截面圖像

●在第三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，測量了擠出機(jī)的力，并將其與 X 射線結(jié)果和數(shù)值模擬的預(yù)測進(jìn)行了比較。


△仿真模型和邊界條件


△三種不同長絲速度下數(shù)值求解的速度場

CT 掃描顯示，在較高的長絲速度下，噴嘴壁與熔體接觸的面積較小，筒體部分的較大部分被實(shí)心絲和噴嘴壁之間的氣隙占據(jù)。與長絲速度相反，加熱器溫度的影響對充滿熔體的噴嘴部分沒有顯示出明顯的影響。速度剖面呈現(xiàn)拋物線分布，與將流動建模為等溫和非牛頓的數(shù)值模擬一致。該研究的結(jié)果為改進(jìn)噴嘴設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)。此外，所提出的實(shí)驗(yàn)方法可以作為未來驗(yàn)證更復(fù)雜的數(shù)值模擬的寶貴工具。