新研究：CT扫描仪分析桌面3D打印机热嘴处材料的熔化和流动

        CT 技术广泛应用于 3D 打印行业，特别是金属激光粉末床熔融工艺。CT可以检查成品零件是否存在内部空隙或裂纹。2023年9月，南极熊获悉，来自斯图加特大学艺术学院研究团队开辟了新领域，应用 CT 扫描来检查桌面 3D 打印机的热端。他们的研究成果已经发表在《Additive Manufacturing》，题目为《Analysis of melting and flow in the hot-end of a material extrusion 3D printer using X-ray computed tomography》（《使用 X 射线分析材料挤出3D打印机热端的熔化和流动》）



研究团队的研究重点是配备 E3D-V6 热端和 Duet 板的 Bondtech LGX 挤出机，CT 扫描仪放置在配件附近。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零件。采用称重传感器来测量通过喷嘴挤出所需的力。团队采用 360° CT 扫描来观察挤压过程中的材料。使用的灯丝是 HIPS，这是一种有点非常规的选择，并掺有钨作为造影剂。研究团队的成员在不同的打印温度（220°C、240°C 和 260°C）下进行了多项实验。


△实验装置

该研究探讨了壁滑移效应、材料流动和挤压所需的力等方面。主要研究结果表明，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长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。



经过仔细检查，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。研究人员提出了一种解决方案，建议设计具有更长枪管的喷嘴，特别是对于高速打印应用。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长丝的熔化行为。

研究人员表示，应该花更少的时间在功能、移动速度和软件上，而花更多的时间研究在喷嘴内部发生的事情上。对实际熔化的深入探索，可以提供喷嘴设计方向和喷嘴参数设计的指导。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。也可以测试哪些设计和材料是最佳的。

目前，桌面级长丝3D打印机非常关注运动控制，开发人员设计皮带、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在做的一部分。在工艺过程中，长丝在哪里熔化以及如何熔化、在什么温度和压力下熔化是十分关键的，也是值得关注的。随后，液滴的形成和实际沉积也非常重要，因为液滴如何成为沉积以及该沉积路径如何与下面的层结合对产品性能的影响十分重要。研究人员表示，希望看到与此领域相关的更多研究

研究一共进行了三项实验：
●在第一项实验中，进行了 360° CT 扫描，重点关注灯丝和喷嘴壁之间的气隙。


△用于射线照相的热端示意图

●在第二项实验中，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。


△CT 扫描横截面图像

●在第三项实验中，测量了挤出机的力，并将其与 X 射线结果和数值模拟的预测进行了比较。


△仿真模型和边界条件


△三种不同长丝速度下数值求解的速度场

CT 扫描显示，在较高的长丝速度下，喷嘴壁与熔体接触的面积较小，筒体部分的较大部分被实心丝和喷嘴壁之间的气隙占据。与长丝速度相反，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。速度剖面呈现抛物线分布，与将流动建模为等温和非牛顿的数值模拟一致。该研究的结果为改进喷嘴设计提供了一定的指导。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。