螺旋挤压熔融沉积的流体动力学分析

　　快速原型(Rapid Prototyping———RP)依据计算机上构成的工件三维设计模型,对其进行分层切片,得到各截面的二维轮廓。按照这些二维轮廓,成型头选择性地固化一层一层的液态树脂(或切割一层一层的纸、烧结一层一层的粉末材料、喷涂一层一层的热熔材料或粘结剂等),形成各个截面轮廓,并逐步有序地叠加成三维工件。

　　熔融挤压成形工艺是目前RP行业中最有生命力的技术。该技术无需激光系统,因而价格低廉,运行费用很低且可靠性高,特别适用于我国的市场行情。但是,这种成型技术面临的主要难题是挤出材料的流量较低,一般只有0.1cm3/s,从而降低了成型效率和成型速度。如果挤出材料的流量能提高到0.5cm3/s~1cm3/s,那么,快速成形机的成形效率可提高5~10倍。快速制件的成本也可随之下降。采用螺旋机构挤压熔融塑料就是提高快速成形机成形速度的一种有效途径。

　　1　螺旋挤压机构的结构和原理

　　挤出成型加工是塑料加工的主要方法之一,具有一系列突出的优点。由于挤出过程具有连续性和较高的生产率,而且它构造比较简单,操作比较容易,因此,采用螺旋挤压机构,能够解决熔融沉积快速成形机效率低的问题,同时能够解决从喷嘴挤出的熔融料连续、均匀的问题。

　　熔融沉积快速成型机在沉积过程中,喷头受水平分层数据的控制沿XY移动,半流动融丝从喷头中挤压出来,在此过程中必须保持热塑性材料的温度稍高于固化温度,同时须保持成型的部分温度稍低于固化温度,这样才能保证层和层之间很好地粘结。同时必须精确控制从挤压头孔挤出的材料流量,使它和前一层相粘结时很快就会固化。如图1所示。丝状材料10在第一级送料机构9的夹持下,以一定的速度和压力经进料口8进入加热器通道,然后变成粘状液态物,流经通道7进入螺旋挤压机构进行第二次加压,通过喷头1流出,形成细的材料束,沉积在工作台的工件表面上,沉积的材料束就像是喷头所走过的路径,路的宽度和厚度在所建立的文件中规定。由于当材料束沉积和固化时,材料束横截面上还会有一定的材料流动,因此,路的宽度通常是喷嘴直径的1.2~1.5倍。在材料沉积过程中,采用恒定体积置换原则,因此,路的尺寸是由材料流动速率控制的,路的宽度和厚度与喷头速度一起决定了从喷嘴流出材料的流动速率。通过加热和温控系统保证挤出机构各段温度控制在工艺所规定的范围内。

　　2　螺槽中的速度分布

　　熔融态材料在螺槽中流动时,我们把它看成是完全熔化了的液体,因此,可以用粘性流体力学的一些基本方程来分析螺槽中熔料的运动规律。

　　为分析问题方便起见,从流动的粘性流体中取出小微元dxdydz来研究,如图2所示。