65、3D打印喷嘴设计与复合螺旋压缩弹簧研究

3D打印喷嘴设计与复合螺旋压缩弹簧研究

3D打印机喷嘴设计及参数

在3D打印中，喷嘴的设计和参数对打印质量起着至关重要的作用。

多喷头与单颜色效果

如果打印机有至少两个打印头或喷嘴，更多的喷嘴能实现更多的色调和颜色变化。使用单一颜色时，虽纹理可能不易察觉，但触感良好。材料的沉积方式也会影响打印材料的拉伸强度，如Wang等人的研究表明，沿Z轴方向沉积的部分比其他轴具有更高的拉伸强度。此外，表面粗糙度更多地取决于层厚，而非路宽和沉积速度。

喷嘴直径的影响

Ramanath等人通过有限元分析（FEA）观察到，将聚己内酯（PCL）的喷嘴直径从0.2mm改为0.4mm，可降低液化器或加热块的压降。成品的精度取决于材料的一致性和适当液化，因此需尽量降低液化器的压降。然而，增加喷嘴直径会增加表面粗糙度，因为材料在两层之间会留下间隙，所以需要对材料直径进行优化。

为了获得优化的喷嘴直径以提高产品质量和精度，Nor Aiman Sukindar等人进行了相关研究。实验使用PLA材料，假设加热块内的流动为稳态，但实际中由于加热温度不断波动，流动是变化的。在进行FEA模拟时，加热块或液化器的边界条件非常重要。为简化模型，通常将3D打印的快速成型过程视为稳态，忽略流量随时间的变化。此外，还做出了以下假设：
1. 流动为层流。
2. PLA材料在加热块壁面的流动为零。
3. 加热块温度恒定且完全绝缘。

喷嘴由不同部分组成，根据其几何形状，Malenka给出了各部分压降的计算公式：
1. $\Delta P = \Delta P_A + \Delta P_B + \Delta P_C$
2. $\Delta P_A = 2L\alpha \left(\frac{\vartheta}{\varnothing}\right)^{1/m}\left(\frac{m + 3}{(D/2)^{m + 1}}\right)^{1/m}\exp\left[\alpha\left(\frac{1}{T} - \frac{1}{T_{\alpha}}\right)\right]$
3. $\Delta P_B = \left(\frac{2m}{3\tan(\theta/2)}\right)\left(\frac{1}{d^{3/m}} - \frac{1}{D^{3/m}}\right)\times\left(\frac{D^2}{2(m + 3)2^{m + 3}}\right)^{1/m}\times\exp\left[\alpha\left(\frac{1}{T} - \frac{1}{T_{\alpha}}\right)\right]$
4. $\Delta P_C = 2L_b\left(\frac{\vartheta}{\varnothing}\right)^{1/m}\left(\frac{(m + 3)(D_1/2)^2}{(D_2/2)^{m + 3}}\right)^{1/m}\exp\left[\alpha\left(\frac{1}{T} - \frac{1}{T_{\alpha}}\right)\right]$

其中，$\Delta P$为总压降，由A、B、C三个区域的压降相加得到；$\vartheta$和$m$是幂律拟合参数，$\theta$为喷嘴角度。分析表明，从0.2mm到0.25mm、0.3mm、0.35mm和0.4mm的直径变化中，直径减小，压降增加。例如，使用0.2mm直径喷嘴产生的压降是0.4mm的三倍。

一些研究人员提出处理L/D比的变化（L为圆锥边缘长度，D为出口直径），当该比值增加（即直径减小）时，压降增加，因此选择最佳喷嘴直径对于确保材料挤出的一致性非常重要。喷嘴直径的变化还会影响路宽，直径减小会使路宽不一致，影响产品表面光洁度；而直径增大时，路宽更一致，但层间间隙增加，强度提高。

喷嘴直径（mm）	压力变化情况	路宽情况	表面光洁度	强度
0.2	压降大	不一致	差	一般
0.4	压降小	较一致	较好	较高

喷嘴温度的影响

打印质量取决于所用原材料和加工参数，其中喷嘴头温度是重要的加工参数之一。打印温度和喷嘴尖端温度会极大地影响打印材料的机械性能，如产品的密度、取向、缩放等。

作者进行的实验中，使用开源打印机以ISO 527标准打印测试对象，材料为1.75mm的PLA，使用1.5mm直径的单喷嘴，冷却风扇速度保持在30%。在不同温度（180、200、220和240°C）下打印样品并进行拉伸测试。结果表明，随着温度升高，拉伸强度和杨氏模量增加，但对单挤出物的伸长率影响可忽略不计。喷嘴头温度升高，断裂应变值从34MPa增加到56MPa。温度不一致会导致层间粘附不足，而保持喷嘴尖端温度可减少成品误差，改善层间结合，提高产品拉伸强度和表面光洁度。

mermaid图如下：

graph LR
    A[喷嘴温度] --> B[拉伸强度增加]
    A --> C[杨氏模量增加]
    A --> D[断裂应变值增加]
    A --> E[减少成品误差]
    A --> F[改善层间结合]
    A --> G[提高表面光洁度]

复合螺旋压缩弹簧的建模与分析

在汽车制造领域，提高零部件质量和性能、减轻重量和降低制造成本是制造商面临的挑战。因此，人们开始研究使用复合材料来设计汽车零部件，以提高强度重量比和燃油效率。

研究背景与现状

螺旋压缩弹簧常用于吸收冲击能量，在悬架系统中广泛应用。此前有许多关于弹簧的研究：
- S. S. Bhatia等人比较了传统钢（IS 4454 Grade 3）和EGlass/Epoxy、Carbon/Epoxy复合材料螺旋压缩弹簧在1500N（正常负载）和3000N（过载）下的性能。结果显示，复合材料弹簧重量更轻，应力更低，挠度更高，但在3000N严重过载条件下，复合材料弹簧的变形可能超过最大允许挠度。
- M. Bakhshesh等人通过实验和FEM分析比较了轻型车辆悬架系统中均匀加载的情况，发现用EGlass/Epoxy、Carbon/Epoxy和Kevlar/Epoxy等复合材料替代传统弹簧材料时，纤维取向会影响压缩弹簧的应力值。
- 其他作者还对自行车减震器的弹簧线径变化、三轮车辆螺旋压缩弹簧的机械性能、纤维增强聚合物和纳米粘土增强环氧树脂复合螺旋弹簧的性能等进行了研究。

材料选择与设计方程

在设计螺旋压缩弹簧时，需要考虑应变能、剪切应力、Wahl因子和挠度等因素。相关公式如下：
1. 应变能 $U = \frac{\sigma^2}{2\times\rho\times E}$，在相同应力条件下，杨氏模量（E）和密度（$\rho$）越低，比应变能越高。
2. 剪切应力 $\tau = \frac{8\times F\times D}{d^3}$，其中$\tau$为剪切应力，$F$为弹簧上的负载，$D$为螺旋压缩弹簧的内径，$d$为弹簧丝直径。
3. Wahl因子 $K = \frac{4C - 1}{4C - 4} + \frac{0.615}{C}$，其中$C$为弹簧指数（$C = \frac{D}{d}$）。
4. 挠度 $\delta = \frac{8\times F\times n\times D^3}{G\times d^4}$，其中$\delta$为挠度，$n$为有效圈数。

传统上，汽车工业和其他工业机械中常用钢及其变体制造弹簧，目前IS4454级钢用于制造汽车螺旋压缩弹簧。以下是IS4454 Grade 3钢和EGlass/Epoxy的机械性能对比：
|材料|密度（kg/cm³）|杨氏模量（MPa）|泊松比|极限拉伸强度（MPa）|屈服拉伸强度（MPa）|热膨胀系数（/°C）|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|IS4454 Grade 3钢|0.00785|2.1×10⁵|0.3|1500|1100|12×10⁻⁶|
|EGlass/Epoxy| - |拉伸模量（X轴）：4.3×10⁴
拉伸模量（Y轴）：6.5×10³
拉伸模量（Z轴）：6.5×10³| - |900|450| - |

在本次研究中，以Tata Indica V2的螺旋压缩弹簧为例，考虑车辆满载时的总重量，计算得出单个车轮的负载为4542.3N。通过上述公式计算相关参数，为后续的建模和分析提供基础。

mermaid图如下：

graph LR
    A[螺旋压缩弹簧设计] --> B[应变能计算]
    A --> C[剪切应力计算]
    A --> D[Wahl因子计算]
    A --> E[挠度计算]
    B --> F[材料性能影响]
    C --> F
    D --> F
    E --> F

3D打印喷嘴设计与复合螺旋压缩弹簧研究

建模与分析过程

本研究使用SolidWorks 2013对螺旋压缩弹簧进行建模，使用商业软件ANSYS 14.5进行静态和模态分析。具体步骤如下：
1. 模型建立 ：根据Tata Indica V2螺旋压缩弹簧的规格，在SolidWorks 2013中创建弹簧的三维模型。
2. 材料定义 ：分别定义IS4454 Grade 3钢和EGlass/Epoxy复合材料的材料属性，包括密度、杨氏模量、泊松比等。
3. 边界条件设置 ：根据实际情况，设置弹簧的约束条件和加载条件。例如，将弹簧的一端固定，另一端施加4542.3N的负载。
4. 网格划分 ：对模型进行网格划分，确保网格质量满足分析要求。
5. 静态分析 ：使用ANSYS 14.5进行静态分析，计算弹簧在负载作用下的应力、变形和应变能。
6. 模态分析 ：进行模态分析，确定弹簧的固有频率和振型，以评估弹簧的动态性能。

结果分析

通过对传统钢弹簧和复合材料弹簧的建模和分析，得到以下结果：
|弹簧类型|应力（MPa）|变形（mm）|应变能（J）|重量（kg）|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|IS4454 Grade 3钢弹簧|较高|较小|较小|1.433|
|EGlass/Epoxy复合材料弹簧|较低|较大|较大|0.233|

从结果可以看出，复合材料弹簧在应力和变形方面表现出更好的性能，能够存储更多的应变能。同时，复合材料弹簧的重量明显低于传统钢弹簧，实现了显著的减重效果。这表明复合材料弹簧在汽车悬架系统中具有很大的应用潜力。

然而，复合材料弹簧也存在一些局限性。例如，在严重过载条件下，复合材料弹簧的变形可能超过最大允许挠度，因此在设计和使用时需要谨慎考虑。此外，复合材料弹簧的设计和制造难度较大，成本较高，这也限制了其广泛应用。

mermaid图如下：

graph LR
    A[弹簧类型] --> B[应力]
    A --> C[变形]
    A --> D[应变能]
    A --> E[重量]
    B --> F[性能评估]
    C --> F
    D --> F
    E --> F

总结与展望

在3D打印喷嘴设计方面，需要综合考虑喷嘴的直径、温度等参数。多喷嘴打印机可以实现更多的颜色变化和纹理效果，而选择最佳的喷嘴直径可以降低加热块的压降，确保材料的稳定流动。喷嘴温度对打印材料的机械性能有重要影响，保持合适的温度可以提高产品的质量和性能。

在复合螺旋压缩弹簧的研究中，复合材料弹簧具有重量轻、应力低、应变能高的优点，在汽车悬架系统中具有广阔的应用前景。但同时也需要解决其在过载条件下的变形问题以及设计和制造成本较高的问题。

未来的研究可以进一步优化3D打印喷嘴的设计，提高打印的精度和效率。对于复合螺旋压缩弹簧，可以探索新的复合材料和制造工艺，降低成本，提高其在各种工况下的性能和可靠性。通过不断地研究和改进，将能够更好地发挥3D打印和复合材料在制造业中的优势，推动相关领域的发展。

总之，无论是3D打印喷嘴设计还是复合螺旋压缩弹簧的研究，都需要综合考虑各种因素，通过合理的设计和优化，实现产品性能的提升和成本的降低，以满足不断发展的工业需求。