3D打印机喷头注塑成型方案设计与工艺优化

Design and Process Optimization of Injection Molding Scheme for 3D Printer Nozzle

摘要

对3D打印机喷头注塑成型过程进行模拟并分析其注射口的圆柱度。初始工艺下的注射口圆柱度为4.764 7 mm，超出设计指标要求。通过正交试验得到工艺参数对注射口圆柱度的影响程度及优化的工艺参数组合。优化工艺参数为注射时间0.8 s、保压时间10 s、模腔温度140℃、熔体温度330℃。工艺优化后注射口的圆柱度降低至3.306 4 mm，优化率达30.6%，达到设计要求。基于优化工艺的试模样品的外观状态及圆柱度测试结果均满足要求，验证了优化工艺的可行性。

关键词

打印机喷头 / 圆柱度 / 注塑成型 / 正交试验 / 工艺优化

Key words

3D printer nozzle / Cylindricity / Injection molding / Orthogonal test / Parameters optimization

近年来，3D打印技术不断发展。为了降低成本、缩短时间并提高精度，出现多种不同结构形式的3D打印机，以适应不同的应用场景^[1-2]。3D打印机的喷头对打印质量的影响至关重要，主要涉及设计、选材和制造。在3D打印机喷头的设计中，温度场的影响较大，目前主要采用有限元的方法进行分析和优化^[3-4]。而对于形状简单的产品也可以通过推导理论计算公式的方法来快速获得合适的喷头结构尺寸^[5]。根据打印材料、打印温度及打印精度的要求可以选择不同材料的打印喷头，目前传统的喷头以金属为主。随着3D打印及成型技术的发展，有研究人员对塑料材料的喷头进行研究。利用Mold flow等有限元软件对塑料喷头的注塑成型的可行性进行探究包括可能产生的成型缺陷的解决以及通过工艺优化来提高制造精度的方法^[6-7]。喷头注塑成型可行性经过确认后，可进行注塑成型模具的设计，包括进胶方案、抽芯及脱模机构等^[8]。打印机喷头对于材料的耐温、刚强度、耐磨性及尺寸精度要求较高。玻纤增强聚苯硫醚(PPS)材料具有较好的综合性能，在连接器、电机等均有应用^[9-10]。玻纤增强PPS材料应用中，翘曲变形导致的尺寸公差大是重点需要解决的问题^[11]。对于打印机喷头这类具备圆形特征的零件，圆柱度是十分重要的设计指标^[12-13]。计算机辅助工程在塑料产品成型的可行性评估及工艺优化中发挥重要作用。模流分析作为一种典型的计算机辅助工程技术，在注塑成型领域的应用十分普遍^[14-15]。对于注塑成型的工艺参数的优化问题，由于变量较多，一般会结合正交试验设计等方法以提升效率^[16-17]。本研究对3D打印机喷头注塑成型过程进行模拟，分析其注射口的圆柱度，通过正交试验优化工艺参数，得到外观状态及圆柱度测试结果均满足要求的3D打印机喷头。

1 塑件分析

1.1 结构分析

图1为3D打印机注射单元及喷头的结构设计。从图1可以看出，注射单元主要包含喷头、动力模块及控制模块。喷头为塑料材质，通过注塑成型制得，主要由前端的注射口、中部的储料容器和底部的固定板组成。该3D打印机的打印精度和质量与喷头的尺寸精度直接相关，特别是注射口的圆柱度(红色圆柱面)。而注塑成型过程材料的收缩往往会有比较明显的变形，进而对尺寸公差有较大影响。因此，为了保证打印精度和质量，该注塑成型的塑料喷头的设计指标要求为注射口的圆柱度不超过4.0 mm。

图2为3D打印机喷头的壁厚分布。从图2可以看出，前端注射口圆柱厚度为0.80 mm，外部保护套厚度为1.00 mm，内部加强筋厚度为0.60 mm。圆柱容器厚度为1.40~1.42 mm，容器端部的限位圈厚度为1.35 mm，底部固定板厚度为3.00 mm。

1.2 材料特性

表1为材料的主要工艺参数^[18-19]。本研究中初始工艺参数为：熔体温度315 ℃、模腔温度135 ℃、注射时间0.85 s、保压时间11.50 s。

2 初始模流分析

2.1 网格模型

该喷头主要为薄壁结构，故采用Dual Domain网格类型^[20-21]。图3为3D打印机喷头的网格模型及质量诊断信息，满足计算要求^[22]。

2.2 进胶流道系统设计

图4为进胶流道系统。从图4可以看出，系统为冷流道进胶方式，由三段组成，各流道截面类型均为圆形。图4中①为冷浇口(φ1.0 mm~φ3.0 mm)，②为冷流道(φ3.0 mm)，③为冷主流道(φ1.5 mm~3.0 mm)。进胶位置设在产品中部圆柱面上，以保证填充平衡和较小的注射压力^[23]。

2.3 初始模流结果分析

图5为打印机喷头所有效应变形及注射口圆柱度的初始模拟结果。从图5可以看出，打印机喷头的中部区域变形较小，安装板及注射口附近的变形较大，最大变形量为0.141 7 mm。采用Roundness宏功能^[24]计算得到注射口圆柱度为4.764 7 mm。超过设计要求的4.0 mm，需要进行优化分析。

3 圆柱度优化

3.1 正交试验设计

根据实际试模得知，注射时间、保压时间、模腔温度及熔体温度对其注射口的圆柱度影响相对较大，故选择这4个参数设计正交试验。表2为L₁₆(4⁴)正交试验因素水平设计。

3.2 正交试验结果分析

表3为L₁₆(4⁴)正交试验结果。从表3可以看出，第15组试验的圆柱度最大，达到4.908 2 mm，超过设计指标；第9组试验的圆柱度最小，为3.436 1 mm，小于设计指标。圆柱度的最大值比最小值高42.8%，说明工艺参数的影响较大。正交试验表中，试验编号为3、4、5、6、8、9、12及13的圆柱度满足指标要求，其余试验的圆柱度不满足指标要求。综上所述，本文正交试验设计合理，可进行工艺参数优化分析。根据极差R得到各因素对圆柱度的影响程度为ABCD。根据R值判断，A ₂时圆柱度最小，B ₁时圆柱度最小，C ₃时圆柱度最小，D ₄时圆柱度最小。故优化工艺组合为A ₂ B ₁ C ₃ D ₄。

将上述正交试验重复进行一次，并进行方差分析验证。表4为正交试验方差分析结果。根据F值分析可知，注射时间及保压时间对圆柱度的影响极显著，模腔温度对圆柱度的影响显著，熔体温度对圆柱度的影响不显著。

4 优化工艺验证

在最优工艺组合条件下进行模流分析验证，即注射时间0.8 s、保压时间10 s、模腔温度140 ℃、熔体温度330 ℃。图6为打印机喷头所有效应变形及注射口圆柱度的优化结果。从图6可以看出，所有效应变形的整体分布趋势基本未变，最大变形量降至0.093 7 mm，下降33.9%。宏计算得到注射口圆柱度为3.306 4 mm，优化率为30.6%，优化效果明显且达到设计要求。图7为模流分析的评估结果。从图7可以看出，充填时间等值线分布完整、均匀，无缺胶和滞留现象产生。最大流动前沿温度为333.5 ℃，最小流动前沿温度为328.9 ℃，温度极差为4.6 ℃，说明熔体温度下降幅度小、填充状态稳定，保证了较好的外观。最大注射压力为71.38 MPa，在常规注射机的正常工作范围内。气穴和熔接线只分布于两端非外观区域，外观状态良好。

通过实际注塑成型试模进一步评估优化工艺的可行性，图8为试模样品。从图8可以看出，喷头样品无缺胶、烧焦、滞留线及熔接线等外观问题，外观满足要求。注射口圆柱度实际测试结果满足设计指标的要求。

5 结论

本文针对初始工艺参数下某玻纤增强PPS材料的3D打印机喷头的注射口圆柱度不合格的问题进行模流分析，设计正交试验优化成型工艺。结果显示：在注射时间0.8 s、保压时间10 s、模腔温度140 ℃、熔体温度330 ℃的条件下，注射口圆柱度下降30.6%，并满足要求。

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