Блог COMSOL

Оптимизируйте конструкцию 3D-принтера с помощью моделирования температуры стеклования

22/12/2016

by Caty Fairclough

Неоптимальные скорости охлаждения и отверждения при трехмерной печати могут отрицательно повлиять на изготовленные детали и комплектующие. Оптимизировав конструкцию 3D-принтера, можно обеспечить высокое качество печатных изделий. Одна из групп исследователей использовала моделирование, чтобы изучить процесс охлаждения и получаемую при этом температуру стеклования полимеров при трехмерной печати. В этой статье мы расскажем о том, как они моделировали процесс экструзии акрилонитрилбутадиенстирола (АБС) в 3D-принтере, использующем метод послойного наплавления (FDM®).

Моделирование методом послойного наплавления — распространенный метод трехмерной печати

Трехмерная печать, также называемая аддитивным производством, — это процесс создания трехмерных объектов, при котором материал наносится слой за слоем снизу вверх. Распространенный метод трехмерной печати — послойное наплавление (FDM®), которое применяется в быстром прототипировании. При использовании метода FDM™ трехмерные модели создаются с помощью процесса экструзии.

Фотография 3D-принтера.
Крупный план головки 3D-принтера с обозначениями деталей.

3D-принтер (слева) и крупный план головки 3D-принтера (справа). Изображения взяты из презентации, представленной на конференции COMSOL 2016 в Бостоне, авторы Рахман (Rahman), Шотт (Schott) и Садху (Sadhu).

В процессе экструзии термопластик подается в экструдер, который помещается в горячую зону. Термопластик расплавляется и выдавливается из сопла экструдера.

Исследователи из Университета Севера и Юга, отделения химии пластиков в Университете Массачусетса, город Лоуэлл, и компании IRays Teknology Ltd. в Бангладеш изучили возможности применения обычных технологий экструзии и модификации для коммерческих 3D-принтеров. Модифицированная конструкция использует непрерывную пластиковую ленту на большой катушке, которая подается в экструдер, как показано на рисунке ниже.

В принтере используется термопластик АБС (акрилонитрилбутадиенстирол) — один из двух видов термопластика, широко применяемых в процессе FDM®. В процессе трехмерной печати, применяемом в данном исследовании, компьютер управляет движениями головки экструдера, послойно создавая трехмерный объект.

Схема экструдера 3D-принтера.
Экструдер, модифицированный для использования в коммерческом 3D-принтере. Пластиковая лента подается с катушки в экструдер, где под воздействием температуры и давления она превращается в тонкий непрерывный поток экструдированного пластика. Так создаются слои отвержденного АБС, составляющие готовое объемное изделие. Изображения взяты из доклада, представленного на конференции COMSOL 2016 в Бостоне, авторы Рахман (Rahman), Шотт (Schott) и Садху (Sadhu).

Исследователи планировали изучить этапы охлаждения и переходные процессы в головке принтера с помощью моделирования теплопередачи. Они использовали программный пакет COMSOL Multiphysics®, чтобы определить, как различные факторы влияют на конструкцию 3D-принтера.

Моделирование стеклования АБС в 3D-принтере

Чтобы точно смоделировать процессы охлаждения и литья при трехмерной печати, группа исследователей разработала двухмерную осесимметричную модель головки 3D-принтера и изучила ее гидродинамические и теплотехнические свойства, а также изменение модуля упругости при растяжении. Предполагалось, что АБС протекает через узкое сопло непрерывным потоком, а его объем не меняется при отверждении. Кроме того, предполагалось, что скорость потока АБС постоянна и однородна.

В рамках такой модели исследователи изучили процесс перехода АБС в стеклообразное состояние (стеклования). Стеклование — это обратимые изменения, происходящие с пластиком в диапазоне температур стеклования. При повышении температуры в этом диапазоне аморфный материал, например АБС, переходит из твердого и хрупкого состояния в резиноподобное и вязкое.

Этот процесс имеет место сначала при нагреве АБС до состояния расплава в экструдере 3D-принтера и затем при его остывании и отверждении на выходе из экструдера. Данное исследование было посвящено именно переходу второго рода в стеклообразное состояние.

Анализ экструзии АБС в 3D-принтере

Рассмотрим процесс экструзии АБС из сопла, который показан на рисунке слева внизу. Результаты показывают, что процесс стеклования АБС проходит успешно. Кроме этого, исследователи планировали оценить эффективность этого процесса.

Внимательно рассмотрев головку 3D-принтера, мы увидим, что линии тока вблизи сопла образуют завихрение. В реальном 3D-принтере такой вихревой поток может привести к неравномерному качеству поверхности и дефектам изделия. Обнаружив проблему уже на этапе проектирования, инженеры могут улучшить конструкцию сопла с самого начала.

График скорости в головке 3D-принтера.
График величины скорости на поверхности и линии тока полного теплового потока в COMSOL Multiphysics®.

Слева: график скорости, полученный одним полным оборотом двухмерного осесимметричного набора данных. Справа: поверхностная скорость (мм/с) и линии тока полного теплового потока в головке 3D-принтера. Изображения взяты из доклада, представленного на конференции COMSOL 2016 в Бостоне, авторы Рахман (Rahman), Шотт (Schott) и Садху (Sadhu).

Далее ученые исследовали тепловой поток, показанный на графиках ниже. Они смогли подтвердить, что кондуктивный тепловой поток через сопло очень велик. Этого можно было ожидать, поскольку при вторичном фазовом переходе АБС выделяет большое количество тепла.

Исследователи определили, что максимум теплового потока расположен в центре течения в зоне перехода. Моделируя кондуктивный тепловой поток на внешней границе, ученые обнаружили, что в основном охлаждение происходит сразу на выходе из сопла. Моделирование привело к интересному результату: тепловой поток не постоянен, а изменяется по длине стенки сопла. Этот результат важен для оптимизации скорости охлаждения и выбора способа охлаждения в 3D-принтере.

График кондуктивного теплового потока, проходящего через внешнюю границу сопла.
График распределения температуры на поверхности сопла в COMSOL Multiphysics®.

Слева: кондуктивный тепловой поток через внешнюю границу. Справа: график скалярного поля температуры. Стрелки указывают направление полного теплового потока. Изображения взяты из доклада, представленного на конференции COMSOL 2016 в Бостоне, авторы Рахман (Rahman), Шотт (Schott) и Садху (Sadhu).

Помимо этого, исследователи смогли изучить, как различные факторы влияют на процесс стеклования АБС. Так, следующий график показывает, что меньшие значения ΔT соответствуют более резкому стеклованию.

График доли пластика в жидкой фазе для модели 3D-принтера.
Доля пластика в жидкой фазе вдоль осевой линии для различных значений ΔT. Изображения взяты из доклада, представленного на конференции COMSOL 2016 в Бостоне, авторы Рахман (Rahman), Шотт (Schott) и Садху (Sadhu).

Оптимизируйте конструкцию 3D-принтеров с помощью моделирования теплопередачи

Моделируя стеклование АБС в головке 3D-принтера, исследователи обнаружили узкую область перехода второго рода при температуре стеклования. Исследование важных характеристик этого процесса — поверхностной скорости, теплового потока и распределения температуры — позволит им лучше понимать работу 3D-принтеров и использовать эти знания для улучшения их конструкции.

Например, такие исследования могут улучшить конструкции штампов с тем, чтобы трехмерные модели затвердевали как можно быстрее. Также исследователи заметили, что анализ теплопередачи позволяет прогнозировать влияние фильтров на скорость отверждения и конечные свойства изделия.

Узнайте больше о трехмерной печати и возможностях анализа теплопередачи, пройдя по ссылкам в следующем разделе.

Дополнительные ресурсы

FDM — зарегистрированный товарный знак компании Stratasys, Inc.
FDM Technology — товарный знак компании Stratasys, Inc.

Комментарии (0)

Оставить комментарий
Log In | Registration
Загрузка...
Explore COMSOL Blog 
CATEGORIES
TAGS
CATEGORIES
TAGS