增材顶刊：利用CT扫描仪监测材料挤出3D打印机热端丝材的熔化和流动

时间：2023-09-27 09:50 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

导读：现如今，CT技术被广泛应用于 3D 打印领域内的质量检测方面，尤其是金属激光粉末床熔融工艺。在这些应用中，CT扫描技术有助于增强对3D 打印的理解，更重要的是，可以检查成品零件是否存在内部空隙或裂纹。

2023年9月26日，来自德国斯图加特大学的一个研究团队最近开辟了新领域，应用CT扫描来检查桌面3D打印机的热端部位。相关研究以题为“Analysis of melting andflow in the hot-end of a material extrusion 3D printer using X-ray computedtomography”的论文被发表在《Additive Manufacturing》期刊上，论文由斯图加特大学艺术技术研究所的 Julian Kattinger、Mike Kornely、Julian Ehrler、Christian Bonnet 和 Marc Kreutzbruck等人联合撰写。

相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423003755?via%3Dihub

本文介绍了用于研究熔丝制造打印机传统热端内流动行为的原位 X 射线计算机断层扫描(CT) 实验。为了更好地了解熔体和流动行为，进行了三种类型的实验。在一项实验中，进行了360° CT 扫描，重点关注灯丝和喷嘴壁之间的气隙。在第二个实验中，使用射线照相技术研究了喷嘴内的流动剖面。为了与周围的喷嘴材料提供良好的对比度，制备了含有少量钨粉作为对比剂的灯丝。在第三次测试中，挤出机测量了力，并将其与 X 射线结果和数值模拟的预测进行了比较。

图1 .(a) FFF 过程[2]和 (b) 典型打印头设计的示意图。

图2 .(a) Bellini 的假设和 (b) Osswald的喷嘴内熔化机制假设的示意图

图3 . (a) 原位 CT 扫描设置和 (b) 挤压力测量设置的示意图，以及 (c) 所用称重传感器的详细视图。

研究的重点是配备了 E3D-V6 热端和 Duet 板的 Bondtech LGX 挤出机，所有设备都被置于 CT 扫描仪附近。为了获得最佳 CT 扫描效果，原来的加热器块被更换为专门的铝制版本。采用称重传感器来测量通过喷嘴挤出所需的力。研究团队采用 360° CT 扫描来观察挤压过程中的材料。使用的丝材是HIPS材料，这是一种有点非常规的选择，并掺有钨作为造影剂。在不同的打印温度（220°C、240°C 和 260°C）下进行了多项实验。

这项研究探讨了壁滑移效应、材料流动和挤压所需的力等方面。研究结果表明，提高长丝挤出速度可以扩大喷嘴内的熔体区域。然而，更快的速度也意味着灯丝加热和熔化的时间更短。此外，在较高的挤出速度下，细丝在进入打印头时更容易弯曲。

CT 扫描显示，在较高的挤出速度下，喷嘴壁与熔体接触的面积较小。这意味着筒体部分的较大部分被实心丝和喷嘴壁之间的气隙占据。与丝材挤出速度相反，加热器温度的影响对充满熔体的喷嘴部分没有显示出明显的影响。速度剖面的射线照相评估揭示了在研究条件下的抛物线分布，与将流动建模为等温和非牛顿的数值模拟密切匹配。

经过仔细观察，研究小组发现细丝在喷嘴壁上保持静止，在喷嘴中心达到最大速度。他们还观察到，较高的挤出速度可能会产生更大的力，从而可能导致挤出问题。作为解决方案，该团队建议设计具有更长枪管的喷嘴，特别是对于高速打印应用。展望未来，他们的目标是更深入地研究打印头的内部工作原理并研究丝材的熔化行为。

这是一项很有意义的工作，并强调了桌面级3D打印行业应该关注的重点。我们不应该花时间在调整打印机的功能、移动速度和软件上，而应该花更多的时间来理解和专注于喷嘴内部发生的复杂情况。对实际熔化的进一步了解可以得出很多有关喷嘴设计和设置的信息：在喷嘴上制作某种图案可以改善 3D 打印机的熔化行为，新的更长的喷嘴可以打印得更快、更准确。

该研究也可以测试3D打印机中地哪些设计和材料是最佳的。3D打印机的升级改进往往更多地关注运动控制，聚焦在皮带、滑轮、校准和底盘组件，以制造更好的打印机。但是，定位喷嘴以连贯地挤出物料是其他行业的许多其他公司也在做的一部分。挤压本身即是一个关键步骤，这里的关键在于长丝在哪里熔化以及如何熔化、在什么温度和压力下熔化，以及熔丝液滴的沉积和下层的结合，我们最后也希望看到更多与喷嘴相关的研究和调查。

本研究中对实际熔化过程的全面分析可以彻底改变喷嘴设计和优化设置。例如，在喷嘴上引入特定图案可能会增强 3D 打印机的熔化行为。新设计的更长的枪管可能会带来更快、更精准的打印。此外，严格的测试可以帮助确定此类创新的最佳设计和材料。

最后，该研究的结果为改进喷嘴设计提供了潜力。此外，所提出的实验方法可以作为未来验证更复杂的数值模拟的宝贵工具。

(责任编辑：admin)

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