Analysis of key factors of extrusion speed of FDM-3D printing melt
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摘要: 针对FDM成型过程中熔体挤出速度与喷头扫描速度不成配比而引起的喷嘴堵料、模型拉丝现象，采用正交试验方法并结合ANSYS Fluent软件，对喷头内的流道结构参数及不同打印参数条件下进行仿真计算，并对正交试验结果进行极差分析与单因素试验结果分析。结果表明：影响熔体挤出速度最大因素是送丝速度，其次是喷嘴内径，最小是收敛角、出口段长度和打印温度，并提出了送丝速度60 mm/s，喷嘴内径0.4 mm，打印温度210 ℃ ，出料段长度L=1.5 mm，收敛角150°为最优工艺方案。最后建立了熔体挤出速度与影响因素之间的指数预测模型并验证了模型准确性。Abstract: Aiming at the nozzle blockage and model drawing phenomenon caused by the disproportion of the melt extrusion speed and the nozzle scanning speed during the FDM molding process, the orthogonal test method and the ANSYS Fluent software are used to analyze the flow channel structure parameters and different printing in the nozzle carry out simulation calculation under parameter conditions, and carry out range analysis and single factor test result analysis to the orthogonal test results. The results show that the biggest factor affecting the melt extrusion speed is the wire feeding speed, followed by the nozzle inner diameter, and the smallest is the convergence angle, the length of the exit section and the printing temperature. The wire feeding speed is 60 mm/s, the nozzle inner diameter is 0.4mm, and the printing temperature is proposed. 210 °C, the length of the discharging section L=1.5 mm, and the convergence angle of 150° is the optimal process plan. Finally, an exponential prediction model between melt extrusion speed and influencing factors was established and the accuracy of the model was verified.
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Key words:
- melt extrusion speed /
- orthogonal test /
- Fluent simulation /
- index prediction model
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表 1 试验因素水平表
水平 因素 v/(mm/s) β/(°) L/mm d/mm T/(℃) 1 15 60 0.5 0.4 180 2 30 90 1 0.6 190 3 45 120 1.5 0.8 200 4 60 150 2 1.0 210 
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表 2 L16(45)试验设计方案
试验 因素 v/(mm/s) β/(°) L/mm d/mm T/(℃) 1 15 60 0.5 0.4 180 2 15 90 1 0.6 190 3 15 120 1.5 0.8 200 4 15 150 2 1.0 210 5 30 60 1 0.8 210 6 30 90 0.5 1.0 200 7 30 120 2 0.4 190 8 30 150 1.5 0.6 180 9 45 60 1.5 1.0 190 10 45 90 2 0.8 180 11 45 120 0.5 0.6 210 12 45 150 1 0.4 200 13 60 60 2 0.6 200 14 60 90 1.5 0.4 210 15 60 120 1 1.0 180 16 60 150 0.5 0.8 190
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表 3 PLA材料相关参数
材料属性 参数 弹性模量/MPa 3.5×109 密度/(kg/m3) 1 250 泊松比 0.35 比热容/[J/(kg·K)] 2 040 热导率/[W/(m·K)] 0.231 动力黏度/(Pa·s) 1 200 热扩散率/(mm2/s) 0.205 热膨胀系数 1.999×10−6
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表 4 仿真试验结果
试验号 因素 vzmax/
(mm/s)v/
(mm/s)β/
(°)L/
mmd/
mmT/
(℃)1 15 60 0.5 0.4 180 74.48 2 15 90 1 0.6 190 49.81 3 15 120 1.5 0.8 200 37.42 4 15 150 2 1.0 210 29.95 5 30 60 1 0.8 210 74.85 6 30 90 0.5 1.0 200 59.93 7 30 120 2 0.4 190 148.84 8 30 150 1.5 0.6 180 99.61 9 45 60 1.5 1.0 190 89.87 10 45 90 2 0.8 180 112.27 11 45 120 0.5 0.6 210 149.41 12 45 150 1 0.4 200 223.23 13 60 60 2 0.6 200 199.25 14 60 90 1.5 0.4 210 297.65 15 60 120 1 1.0 180 119.83 16 60 150 0.5 0.8 190 149.67
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表 5 极差分析结果
v/
(mm/s)β/
(°)L/
mmd/
mmT/
℃K1 191.66 438.45 433.49 744.2 406.19 K2 383.23 519.84 467.72 498.08 438.19 K3 574.78 455.5 524.55 374.21 519.83 K4 766.4 502.46 490.31 294.58 551.83 k1 47.915 109.612 5 108.372 5 186.05 101.547 5 k 2 95.807 5 129.96 116.93 124.52 109.547 5 k 3 143.695 113.875 131.137 5 93.552 5 129.957 5 k 4 191.6 125.615 122.577 5 74.895 137.957 5 R 143.685 20.347 5 22.765 111.155 36.41
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图(8) / 表(5)
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