基于Fluent的散热仿真分析在FDM桌面机上的应用

FDM（熔融沉积成型）是目前应用最广泛的3D打印技术，主要是因为其整个系统构造原理和操作都比较简单，并且后期维护使用成本较低以及不需要太多的后处理工序，但该技术由于自身成型工艺的原因，成型件表面成型质量还有待提高。

 

随着该技术的飞快发展，FDM桌面机已经开始进入到人们的日常生活中，那么对成型件表面的精度要求也越来越高。在影响表面成型精度各种控制因素中，整个打印腔室内温度控制是最重要的一个因素。若整个成型腔室温度过高，会造成成型件在打印过程中出现变软、坍塌等打印缺陷；若整个成型腔室温度过低，会造成成型件在打印过程中层与层之间存在粘接不牢等打印缺陷。那么整个成型腔室内温度分析对成型件的表面质量有着重要的影响。

 

本期增材专栏，基于某款FDM桌面机对其整机成型腔室的温度进行散热仿真分析，以获得其整个成型腔室内部温度分布状况，同时对其散热结构进行了相应的优化，获得原方案和优化方案的对比结果，为后期产品的设计改进提供了参考依据。

 

FDM桌面机模型简化处理

 

FDM桌面机主要由腔室框架、喷头系统、送丝系统、运动结构、加热系统、成型平台以及其他附件等部分组成，具体可参见图1所示。FDM桌面机整机模型结构比较复杂，在仿真计算中，需要把一些对整机成型腔室温度仿真分析影响不大的部件进行忽略。

 

图 1某FDM桌面机整机模型

 

图 2某FDM桌面机简化后模型

 

在本文仿真模型中，只考虑腔室框架、喷头系统、送丝系统、部分运动件和成型平台，腔室框架内：上壁板以顶盖为边界做模型简化，去掉加强筋；下壁板以成型平台为边界简化为平面；送料电机按外壳形状做简化，风扇按外壳形状简化为方块体，具体可参见图2所示。

 

同时对一些结构（比如喷头系统）进行模型简化。喷头系统按喷头保护罩形状简化，不考虑内部风道与结构，按照栅格面积折算表面开口大小，具体可参见图3和图4所示。

 

图 3简化前喷头几何模型

 

图 4简化后喷头几何模型

 

散热仿真模型的建立

 

整个仿真模型是基于仿真软件Fluent19.2进行搭建，由于结构复杂，使用四面体划分网格，在细小结构附近采用小尺寸1mm捕捉曲率变化,模型中最小间隙尺寸为2.5mm,这样保证小间隙内至少有2层网格。网格总数为4031335，最大网格畸率为0.848,网格质量过关，具体可参见图5所示。

 

图5 某FDM桌面机网格模型（X=0截面）

 

同时对仿真模型进行了如下假设：室温为20摄氏度；电机发热功率为1W；框体和门板与外界的对流换热系数为5W/m2.K；所有内部固体面绝热。

 

腔体内空气流动受喷头罩内的两个风扇的驱动。只考虑外流场的情况下对模型边界做了如下简化，风量折算为质量流量，加载在A in。风量折算为质量流量，平均成3等份加载在B1 in、 B2 in、B3 in位置。A out和B out设置为压力边界。

 

图6喷头边界设置1

 

图 7喷头边界设置2

 

在某FDM桌面机中，喷头是一个主要的热源，喷头处的散热会对整个腔室内的温度场分布产生重要的影响，因此本文针对喷头处原方案和优化方案进行对比分析。

 

表 1 某FDM桌面机整机腔室内散热分析不同方案描述

 

仿真计算结果及分析

 

从仿真分析结果来看：除出入风口位置流速较大，整个腔体的流动并不剧烈，喷头附近流体运动方向见速度矢量图。最大速度出现在A in位置，喷向打印机底板。另外从B3口的流出速度也较大，喷向打印机顶板，具体可参见图8和图9所示。

 

图8 速度云图Z=0（原方案）

    

图9 速度矢量图Z=0（原方案）

 

某FDM桌面机整机腔室在X=0截面处原方案和优化方案的温度分布分别见图10和图11所示，原方案和优化方案的X=0截面处平均温度分别为161.5℃和146.2℃,优化方案比原方案的平均温度降低了15.3℃，降低了9.5%，温度下降近幅度比较明显。

 

图10 温度云图X=0（原方案）

 

图11温度云图X=0（优化方案）

 

表 2 原方案和优化方案的温度仿真分析结果对比

 

结论

 

从以上分析结果可以看出:在喷头处添加风扇可以大大降低整个成型腔室内的平均温度，对成型件的表面质量有显著的影响。打印过程是瞬态过程，并且随着打印时间的增加，打印过程累计热量，内部温度会越来越高，本文分析只是进行了稳态计算，没有考虑累计热量。但是这种稳态设置考虑的是极端工况，模拟一直进行打印，周边介质已经被加热到热平衡的状态，温度分布会比真实操作中高。