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1 引言
AJS(Air Pressure Solidification——气压式熔融沉积)是西安交通大学基于FDM技术开发的快速成型系统，如图1。
图1 AJS快速成型机
AJS基本工作原理是将成型材料加热到旱低牯度的熔融状态。采用压缩空气作为动力源，将熔融材料由喷头挤出，控制喷头进行扫描运动，使成型材料沉积于工作台或前一沉积层上，当一层的扫描堆积完成后，工作台沿Z向下降一个层厚的距离。继续下一层的制作．并实现层与层之间的粘结，最终制造出整个零件。
本文研究的AJS系统，适用于蜡与硬脂酸镁的混合材料的熔融挤压成型，所制作模型，适合用于精密铸造的蜡型。
系统的硬件主要由控制系统、机械传动系统、气体供给系统以及喷头等组成。喷头的结构、喷嘴直径以及压力、温度等工艺参数等直接决定了AJS系统的成丝质量及成丝速率。本论文采用有限元和实验相结合的研究方法。计算了目前AJS普遍采用的两种典型结构的喷头在熔融挤压出丝过程中。融化罐和喷嘴交界处材料的压力分布、速度分布，分析了喷头结构对成丝性能的影响。最后，通过实验测定了加热温度、气压对出丝速度的影响。在理论出丝速度判据指导下，得到了喷嘴直径、加热温度以及气压的参数组合。
2 熔融挤压喷头结构设计
目前，AJS普遍采用的喷头结构如图2所示，熔融挤压喷头由两部分组成，包括熔化罐和喷嘴，其作用是盛装和熔化成型材料并使其顺利地从喷嘴挤出。喷嘴可以是外置式结构，如图2(a)，便于安装，也可以是融化罐一喷嘴一体化结构，如图2(b)。
(a)喷嘴外置式喷头；(b)融化罐、喷嘴一体化喷头
图2 喷头(融化罐、喷嘴)结构
利用ANSYS中的FLOTRAN CFD模块对喷头内部熔融材料挤出过程进行流体动力学分析。得到在气体压力作用下，喷头内熔融材料的压力场分布以及材料挤出速度场分布。
喷头关于中截面对称，取中截面为研究对象，将其转化为平面问题简化计算。根据实际情况假设在喷头的熔化罐内材料的深度为60mm，则根据图2所示喷头的截面形状在ANSYS中建立模型，如图3所示。
对于外置喷嘴结构喷头，采用自由网格划分方法，为了提高分析精度，将网格密度设为一级，选择2D FLOTRAN141号单元。对于融化罐、喷嘴一体化结构的喷头。由于截面形状较为规则，采用映射方式划分网格，网格大小采用人工方式设定，在喷嘴出口处尺寸较小，因此划分的网格也较密。
(a)喷嘴外置式喷头；(b)融化罐、喷嘴一体化喷头
图3 喷头截面网格模型
熔融材料为蜡与硬脂酸镁的混合材料．蜡与硬脂酸镁的质量比为5：1，密度为0．9459／cm3，粘度设定为20Pa.s。熔融材料与喷头内壁接触的边界线X、Y两方向的流动速度均设为0。熔融材料与压缩气体接触的边界线设定压力相对于标准大气压为O．1MPa。喷嘴出口设定压力相对于标准大气压为0。
图4所示为外置喷嘴结构的喷头融化罐、喷嘴内熔融材料压力场分布有限元计算结果。
图4 喷嘴外置式喷头截面压力场分布
从图4中可以看出在融化罐、喷嘴的主体部分压力损失较小．在喷嘴出口处Φ0．5×1．5mm的小圆柱段压力急剧下降。压力由融化罐内的0．1MPa降至喷嘴出口处的O．07MPa。喷嘴出口处压力的急剧降低，直接导致出丝阻力增加，不利于快速成型。
对于外置喷嘴结构的喷头，融化罐内熔融材料的流动速度矢量，会影响到喷嘴内材料的持续流动状态。图5所示为与喷嘴交界处融化罐内的熔融材料速度矢量曲线。
图5 外置喷嘴附近截面速度分布曲线
可看出喷嘴相同水平截面内速度不一致。融化罐内中间部位材料流动速度较大(0．13m/s)，而靠近喷嘴处材料流动速度较小，熔融材料出现接近流动停滞状态(0．008～0．0084m/s)，甚至在喷嘴中心位置出现熔融材料向气压反方向流动的趋势(-0．042m/s)。导致熔融材料不能连续向喷嘴附近流动，在喷嘴内部形成了熔融材料的击穿现象．最终导致断丝现象。
另外，由于喷头结构的非对称性。导致喷嘴处出丝速度矢量的方向并不是完全垂直向下，材料挤出后会发生卷曲现象，粘附在喷嘴外侧四周而不能堆积在工作台上，不能实现快速成型。
图6所示为融化罐、喷嘴一体化喷头内材料压力场分布计算结果。融化罐、喷嘴出口处压力均匀一致，有利于顺利出丝，而且由于结构的对称．喷嘴附近材料流动速度矢量关于中心线对称，且和材料流动出丝方向一致，保证出丝均匀、流畅，而且不会发生卷曲现象。
图6 一体化喷头内压力场分布
图7所示为融化罐与喷嘴交界处截面沿直径方向的速度曲线。
图7 一体化喷嘴附近截面速度曲线
可以看出融化罐内材料流动速度曲线是对称的近似抛物线，材料流动速度绝对值最大点在中心位置，与喷嘴位置相对应，熔融材料快速向喷嘴处流动。与喷嘴外置式喷头不同的是，一体化结构的喷头融化罐内材料流动速度与出丝方向一致。始终保证融化罐内有足够的材料向喷嘴中心补充。避免发生熔融材料的击穿而导致断丝现象。
总之，在材料属性、边界条件以及施加载荷等条件相同的条件下，有限元计算结果表明。和喷嘴外置式喷头相比，融化罐、喷嘴一体化结构喷头，压力可以传递至喷嘴入口处，便于出丝；在喷头与喷嘴交界处，熔化罐内融材料流动速度矢量关于中心对称，且和熔融材料出丝方向一致，保证熔融材料及时向喷嘴处补充。从喷嘴顺利流出，避免出现断丝现象。
3 熔融挤压工艺优化
熔融挤压快速成型过程中，影响快速成型质量的工艺参数主要有喷嘴直径、气压和熔融材料加热温度。当喷嘴直径过小、加热温度过低或者气压过低．喷嘴处材料的流动阻力会很大，则材料的挤出速率将很小甚至无法挤出；若喷嘴直径过大，或者加热温度过高，气压过大，则材料的挤出速率过大，多余的流量无规则地堆积在丁作台上。影响快速成型的顺利进行。提高熔融材料加热温度可以降低材料的粘度。加快出丝速度；气体压力是熔融材料挤出的动力，增大气压，可以提高出丝速度。
3.1 AJS材料挤出速率确定
综合考虑成型效率和成型精度，AJS分层厚度h通常设定的范围是：0．15～0．35mm；由于喷头的质量较大。运动惯性也较大，为了保证系统的成型精度，扫描速度不可能过大。扫描速度v的通常设定范围为20～50mm／s，丝宽ω的范围通常是0．3～1．Omm之间。设一定时间内(10s)挤出材料的质量为m，而材料的密度ρ为O．945x10-3g／mm3则：
m=h×ω×v×ρ×10 (1)
根据公式(1)计算的AJS材料理论出丝速率范围为：0．009g/10s≤m≤0．1659/1Os。
3.2 AJS挤出速率实验测定
AJS系统熔融材料的挤出速率，与加热温度、气体压力和喷嘴直径等有关，有必要通过实验测定不同喷嘴直径、温度和压力条件下一定时间内(10s)挤出材料的质量，从而确定喷嘴直径、压力和温度的参数组合。
配制熔融成型材料(蜡与硬脂酸镁质量比为5：1)，采用融化罐、喷嘴一体化喷头，选择喷嘴直径(中)为0．3mm、0．5mm、0．7mm，选择加热温度75℃-859E ,喷头内气体压力从0.1-0.8MPa,测定l0s内，采用称重法，测量喷头在10s内的出丝质量。
3.3 AJS工艺参数确定
表1-3是在不同的加热温度和气压作用下，不同直径的喷嘴挤出丝速度，挤出速率m(10s内)，若挤出速率不在区间[0.009，0.165]内，则对应的温度和压力参数在成型过程中不可用。当材料挤出速率低于0.009g/10s，则会因为出丝速率不足。在喷头进行填充扫描过程中，出现断丝现象，如果材料挤出速率超过0.165g/10s，则会因为出丝速率过大，挤出丝的拥积，造成快速成型精度、表面粗糙度的下降。因此只有挤出速率m(10s内)在区间[0.009，0.165]内，快速成型可以顺利进行，保证制件的精度和表面粗糙度，相应的喷嘴直径、加热温度以及气压可以作为气压式熔融快速成型的备选工艺参数组合。
表1 Φ0.3mm喷嘴不同温度压力条件下10s内挤出熔融材料的质量
表2 Φ0.5mm喷嘴不同温度压力条件下10s内挤出熔融材料的质量
表3 Φ0.7mm喷嘴不同温度压力条件下10s内挤出熔融材料的质量
4 结论
通过有限元和实验的方法，对典型结构的气压FDM喷头进行了计算与分析，结果表明，外置喷嘴出口附近的压力骤降，导致出丝阻力增大；喷嘴外置式喷头由于其融化罐内材料流动速度矢量与喷嘴材料流动方向的不一致，导致喷嘴材料补充的不及时，喷嘴内材料击穿，出现断丝现象。融化罐、喷嘴一体化喷头内，融化罐、喷嘴内压力分布均匀，融化罐内材料的流动速度与喷嘴内材料的出丝方向相一致，熔融材料能够及时对喷嘴进行材料补充，保证出丝的顺畅。通过优化喷头结构，实验测量出丝速率，和理论出丝速度比较，得到了熔融沉积的熔融温度、挤压压力和喷嘴直径工艺参数组合。
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