有关FDM型陶泥打印机螺杆的设计与仿真研究

有关FDM型陶泥打印机螺杆的设计与仿真研究

舒文琪

（泉州信息工程学院，福建省泉州市  362000）

摘要

本论文对FDM型3D陶泥打印机的螺杆进行设计与仿真研究，使用三维建模软件Solid Works软件绘制了FDM型陶泥打印机所需要的相应的剪切段螺杆模型，对螺杆的计量段部分和部分的挤压段部分进行仿真模拟。解决了了在对挤出粒料时的卡顿问题。

关键词：3D打印；螺杆设计；仿真模拟

1.1引言

熔融沉积成形，这种快速成型工艺是一种不通过激光作为成形能量，而是直接把各种物料通过加热熔融的方式进行堆积成形技术，又被称作FDM。跟这项技术直接相连的即是螺杆机构，它是利用外部驱动电机给予动力和外部加热元件的热传递作用对物料进行固体运输、压实、熔融、剪切混炼最终挤出成型。使用机筒的外加热然后在螺杆旋转时产生的剪应力对材料进行截切和加工。由此可知设计螺杆的关键所在便是通过研究螺杆的不同结构参数对剪切运送材料的影响。

1.2 FDM型3D陶泥打印机螺杆结构设计

1.2.1螺杆挤出工作原理

利用物料与机筒和螺杆间摩擦系数的差值作为动力，在工作压力下将物料从下方模口挤出。

螺杆挤出系统示意图

1.2.2挤出机螺杆参数

[1]陶泥打印机的螺杆在其挤出机部分是一个十分重要的机构，陶泥挤出机中螺杆的设计参数对挤出效率有着非常重要的影响,不同的参数设计出的螺杆对陶泥的推送效果也大不相同[1]。根据材料特性对螺杆进行设计，设计参数如下根径为d1=20mm,大径为d=29.07mm,螺距P=14mm,螺纹厚度H=3mm,升角ψ=76.5°。在此性能下物料可以较为丝滑的挤出。

由于螺杆的强度和刚度的要求十分的严格，压缩比的大小可以判断螺杆是否符合要求，压缩比越大，螺杆的小径越小，对螺杆的强度和刚度的便需要的要求更高[2]。螺杆压缩比的计算公式为[3]

ε=(D−H1)H1/(D−H3)H3

式中：ε为压缩比；D为螺杆计量段大径，mm;H1为加料段螺棱高度，mm;为H3为计量段螺棱高度，mm。

1.2.3陶泥打印机材料使用对螺杆参数影响

陶瓷打印材料具有出色物理和化学特性，例如在强度，耐腐蚀，耐高温，稳定性等。目前，较为常用的新型陶瓷材料包括碳硅化钛陶瓷、多孔氮化硅陶瓷、氧化铝陶 瓷和磷酸三钙陶瓷等，其中，有机前驱体陶瓷目前是最具代表性，如SIC、Si3N4陶瓷材料它们可经由有机前驱体进行制备。在实验室中我们主要采用的是刚玉材料，其学名为α-Al2O3是氧化铝陶瓷的一种（其余的还有β - Al2O3和 γ-Al2O3 ）,相比之下α-Al2O3的结构密度更加紧实，其稳定性和耐腐蚀性都较好，通过实验和理论结合我们发现在氧化铝陶瓷打印原料中加入一定的粘结剂可以使得在挤出时材料更不容易因为自身重力影响导致形变。

在根据材料的性能了解下，在提供0.92N·m的扭矩之下螺杆可以顺滑的挤出陶泥材料，由于材料的灌入会导致重心的偏移，所以螺杆的高度设置要在保证挤出机可以正常工作的前提之下尽可能地缩短，因此使用了H=72mm的长度。

1.3 Solid Works仿真

Solid Works Simulation作为一个虚拟测试环境，可以用于分析设计，评估机械性能并提前做出决策用以提高产品质量。为了体现可以提供设计与仿真一体化的解决方案，对无缝集成界面做出了创造性的改变，将仿真界面，仿真需求无缝衔接到Solid Works的设计过程中Solid Works Simulation的仿真向导，包含以下几种顾问引导：算例、性能、约束、载荷和连接顾问、还有用于最后评定的结果顾问。它可以在多领域进行全面分析：如静强度、动强度、模态、疲劳、参数优化等。展示了在统一界面下产品的多领域分析。可以面向设计者的多场合的需要：热-结构、流体-结构、多体动力学-结构等多场分析是目前分析中的一个重要发展方向，可以解决许多非常复杂的工程问题。

1.相关仿真流程

由于陶泥材料的内部组成十分的复杂，在考虑到材料密度分布，粘结剂是否充分混合的情况下我们可以适当的对流体域部分参数进行简化，通过虚拟样机的技术螺杆简化。并对其相关参数进行假设。

（1）假设挤出机在工作时螺杆与筒壁之间设置为刚体。

（2）假设流体物料在使用时是分布均匀的，有各向同性的性质。

     对螺杆进行静力学仿真分析。

2.静力学仿真分析

在对螺杆顶部进行夹具后给与螺杆一个外部载荷（0.92N·m)DE 扭矩。后对螺杆进行网格划分网格质量较为密集此时的网格质量较好。

螺杆静力分析应变图                                                    螺杆网格生成

由螺杆静力分析应变图可知在给与这样的应力后发现螺杆会产生较小的应力形变，由于不同的横截面会导致不同的应变，这一点在相比之下螺杆的头尾处较为明显。在根据

W p=πDs^3/16*(1−C^4)

C=d0/D s

τ=Mk/W p

表达式内可知在跟根径处的所受的应力最大所以我们主要观测在根径处与螺纹所连接出的应变是否过大而不满足得出在螺杆的刚度要求，在实验中我们发现最薄处使用高的压缩比可以符合螺杆的强度要求。

1.4总结

螺杆的设计主要在于使用合理的螺杆参数去满足挤出机对陶泥物料的推送，保证在使用FDM成型技术下的陶泥打印机可以不因物料挤出的错误二导致整个模型构建的失败。针对这种错误我们利用的solid works仿真设计可以让我们在虚拟环境下进行模拟，进行提前的实验，减少材料和时间成本的浪费

参考文献

[1]丛日原,杜云刚,鲁玥,马昊鹏.陶瓷3D打印机挤出机的设计与仿真分析[J].中国陶瓷工业,2019,26(04):13-17.DOI:10.13958/j.cnki.ztcg.2019.04.004.

[2]任礼,白海清,鲍骏等.FDM型3D打印机螺杆设计与性能分析[J].塑料,2022,51(05):1-7.

[3]朱复华.挤出理论及应用[M].北京：中国轻工业出版社，2001.

作者简介： 舒文琪（2003.08），男，汉族，江西宜春人，学生，本科。

本文由“泉州信息工程学院大学生创新创业训练计划项目资助”