增材頂刊：利用CT 掃描儀監(jiān)測材料擠出3D打印機熱端絲材的熔化和流動

導讀：現(xiàn)如今，CT技術被廣泛應用于 3D 打印領域內(nèi)的質(zhì)量檢測方面，尤其是金屬激光粉末床熔融工藝。在這些應用中，CT掃描技術有助于增強對3D 打印的理解，更重要的是，可以檢查成品零件是否存在內(nèi)部空隙或裂紋。

2023年9月26日，南極熊獲悉，來自德國斯圖加特大學的一個研究團隊最近開辟了新領域，應用CT掃描來檢查桌面3D打印機的熱端部位。相關研究以題為“Analysis of melting andflow in the hot-end of a material extrusion 3D printer using X-ray computedtomography”的論文被發(fā)表在《Additive Manufacturing》期刊上，論文由斯圖加特大學藝術技術研究所的 Julian Kattinger、Mike Kornely、Julian Ehrler、Christian Bonnet 和 Marc Kreutzbruck等人聯(lián)合撰寫。

相關論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423003755?via%3Dihub

本文介紹了用于研究熔絲制造打印機傳統(tǒng)熱端內(nèi)流動行為的原位 X 射線計算機斷層掃描(CT) 實驗。為了更好地了解熔體和流動行為，進行了三種類型的實驗。在一項實驗中，進行了360° CT 掃描，重點關注燈絲和噴嘴壁之間的氣隙。在第二個實驗中，使用射線照相技術研究了噴嘴內(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。在第三次測試中，擠出機測量了力，并將其與 X 射線結果和數(shù)值模擬的預測進行了比較。

圖1 .(a) FFF 過程[2]和 (b) 典型打印頭設計的示意圖。

圖2 .(a) Bellini 的假設和 (b) Osswald的噴嘴內(nèi)熔化機制假設的示意圖

圖3 . (a) 原位 CT 掃描設置和 (b) 擠壓力測量設置的示意圖，以及 (c) 所用稱重傳感器的詳細視圖。

研究的重點是配備了 E3D-V6 熱端和 Duet 板的 Bondtech LGX 擠出機，所有設備都被置于 CT 掃描儀附近。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版本。采用稱重傳感器來測量通過噴嘴擠出所需的力。研究團隊采用 360° CT 掃描來觀察擠壓過程中的材料。使用的絲材是HIPS材料，這是一種有點非常規(guī)的選擇，并摻有鎢作為造影劑。在不同的打印溫度（220°C、240°C 和 260°C）下進行了多項實驗。

這項研究探討了壁滑移效應、材料流動和擠壓所需的力等方面。研究結果表明，提高長絲擠出速度可以擴大噴嘴內(nèi)的熔體區(qū)域。然而，更快的速度也意味著燈絲加熱和熔化的時間更短。此外，在較高的擠出速度下，細絲在進入打印頭時更容易彎曲。

CT 掃描顯示，在較高的擠出速度下，噴嘴壁與熔體接觸的面積較小。這意味著筒體部分的較大部分被實心絲和噴嘴壁之間的氣隙占據(jù)。與絲材擠出速度相反，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。速度剖面的射線照相評估揭示了在研究條件下的拋物線分布，與將流動建模為等溫和非牛頓的數(shù)值模擬密切匹配。

經(jīng)過仔細觀察，研究小組發(fā)現(xiàn)細絲在噴嘴壁上保持靜止，在噴嘴中心達到最大速度。他們還觀察到，較高的擠出速度可能會產(chǎn)生更大的力，從而可能導致擠出問題。作為解決方案，該團隊建議設計具有更長槍管的噴嘴，特別是對于高速打印應用。展望未來，他們的目標是更深入地研究打印頭的內(nèi)部工作原理并研究絲材的熔化行為。

這是一項很有意義的工作，并強調(diào)了桌面級3D打印行業(yè)應該關注的重點。我們不應該花時間在調(diào)整打印機的功能、移動速度和軟件上，而應該花更多的時間來理解和專注于噴嘴內(nèi)部發(fā)生的復雜情況。對實際熔化的進一步了解可以得出很多有關噴嘴設計和設置的信息：在噴嘴上制作某種圖案可以改善 3D 打印機的熔化行為，新的更長的噴嘴可以打印得更快、更準確。

該研究也可以測試3D打印機中地哪些設計和材料是最佳的。3D打印機的升級改進往往更多地關注運動控制，聚焦在皮帶、滑輪、校準和底盤組件，以制造更好的打印機。但是，定位噴嘴以連貫地擠出物料是其他行業(yè)的許多其他公司也在做的一部分。擠壓本身即是一個關鍵步驟，這里的關鍵在于長絲在哪里熔化以及如何熔化、在什么溫度和壓力下熔化，以及熔絲液滴的沉積和下層的結合，我們最后也希望看到更多與噴嘴相關的研究和調(diào)查。

本研究中對實際熔化過程的全面分析可以徹底改變噴嘴設計和優(yōu)化設置。例如，在噴嘴上引入特定圖案可能會增強 3D 打印機的熔化行為。新設計的更長的槍管可能會帶來更快、更精準的打印。此外，嚴格的測試可以幫助確定此類創(chuàng)新的最佳設計和材料。

最后，該研究的結果為改進噴嘴設計提供了潛力。此外，所提出的實驗方法可以作為未來驗證更復雜的數(shù)值模擬的寶貴工具。