3Dプリントノズルの熱力学解析と構造最適化設計

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-3-17 16:43 に最後に編集されました。

現在、3D プリント技術は、宝飾品、履物、工業デザイン、建築、自動車、航空宇宙、歯科および医療業界、さらには食品など、さまざまな分野で広く使用されています。 3Dプリントの主な方法として、熱溶解積層法（FDM）3D積層プリント技術は、多種多様な部品を製造でき、修正が速く、色成形ができるなどの利点があります。しかし、現在の熱溶解積層法3Dプリントノズルには、印刷面の品質や印刷精度が産業の要求を満たしていないことや、プリントヘッドの製造コストが高いなどの欠陥がまだあります。上記の問題に対応するため、本稿では、3D プリントノズルの熱合理性を研究し、それに応じて熱分布と温度場を分析し、さらに 3D プリントノズルの構造を最適化して、印刷面の精度を向上させながら製造コストを大幅に削減します。

1. 熱溶解積層法3Dプリントノズルの動作原理

3Dプリント技術とは、物理的な層を連続的に重ね合わせ、層ごとに材料を追加することで3次元の物体を生成する技術を指します。従来の材料除去加工技術とは異なり、積層造形とも呼ばれます。熱溶解積層法では、熱溶融ノズルを使用して、CAD レイヤーデータによって制御されるパスに沿って半流動性の材料を指定された場所に押し出して堆積させ、プロトタイプに固化します。材料は層ごとに押し出されて堆積され、固化後に完全なプロトタイプまたは部品を形成します。構成システムには、高精度機械システム、CNC システム、射出システム、成形環境などが含まれます。この論文の研究内容は主に注入システムに関するものです。熱溶解積層製造技術に基づく 3D プリンターのノズルの動作原理を図 1 に示します。

3D プリンターのノズルは、位置決め領域、供給領域、ヒューズ領域、および添加領域で構成されています。位置決めエリアの機能は、フィラメントが正確かつスムーズに供給エリアに入ることができるように、フィラメントを最初に位置決めすることです。供給エリアは、駆動ギアと従動ベアリングホイールで構成され、2つのホイールの間に特定のギャップが維持されます。ギャップサイズは、2つのホイールのクランプ摩擦力Fの下でフィラメントが安定して前進できるように十分でなければなりません。溶融エリアは、スロートチャネル、安定化フレーム、絶縁層、および加熱ブロックで構成され、未溶融フィラメントと溶融フィラメントがチャネル内でピストン効果を形成し、フィラメントをノズルから排出します。付加エリアは、ノズル、ワークベンチ、およびワークピースで構成されます。付加印刷プロセス中、X方向とY方向はノズルの動きによって制御され、Z方向、つまり各層の印刷厚さは、ワークベンチの上下の動きによって制御されます。原理から、印刷面精度が悪い原因は、ノズルのX方向とY方向の動きにあることがわかります。この論文では、ノズルの動きを制御するモーター精度やネジ伝達精度などの要素ではなく、加熱ブロックの高温によって引き起こされるノズルのX方向とY方向の変形を研究し、ノズル機構の最適化と改善のための理論的根拠を提供します。

2 シミュレーション分析
2.1 ノズル形状モデルの構築と境界条件の設定
3Dプリントノズルは主にアルミニウム、銅、鉄の3つの材料で作られています。部品の要件に応じて、ANSYSのエンジニアリング材料データベースから対応する材料AluminumAlloy（アルミニウム）、CopperAlloy（銅）、StructuralSteel（鉄）を選択します。熱解析では、主に材料の熱伝導率、比熱容量、放射率を調べます。本記事の計算モデルの構造はそれほど複雑ではなく、温度場の面積も比較的大きいため、分割には構造グリッドを選択します。ノズル、スロート、加熱ブロックの面積は全体の温度場よりも小さいため、ノズル、スロート、加熱ブロックの領域でメッシュを細分化することで、より高い計算精度を確保できます。境界条件の設定：熱解析における境界条件には、温度、対流、放射などがあります。本稿の3Dプリンターの動作環境（ABS部品の印刷）では、加熱ブロックの加熱点を300℃の温度境界として選択し、モーターの底部を22℃の境界として選択し、熱伝達方式を接触面の熱伝導とし、安定フレームと加熱ブロックの表面を放熱面として選択し、放射係数を0.3としています。熱伝導係数は各部品の材質によって決まり、ANSYSライブラリに追加できます。

2.2 熱分布と温度場がノズルの変形に与える影響の解析

以上の研究を踏まえ、ANSYS ソフトウェアを用いてシミュレーション試験を実施し、試験条件が試験結果に与える影響を以下のように分析した。

2.2.1 ノズル変形に対する温度分布の影響<br /> 熱膨張の原理から、金属部品が不均一に加熱されると、両側の温度上昇が不均一になることがわかっています。上側の温度が下側の温度よりも高い場合、金属部品の上側の膨張は下側の膨張よりも大きくなり、金属部品が下向きに曲がり、熱変形が発生します。熱膨張は、材料の固有の熱膨張率によって引き起こされる体積変化であり、膨張の主な原因です。熱膨張による膨張量は、△L＝δ（L+△/2）△t［8］（1）で表されます。ここで、δは材料の線膨張係数、℃-1、Lは部品のX方向とY方向のサイズ、mm、△tは温度差、℃、△はワークピースの許容差、mm（大きい方は加工代を補正するために採用されます）。図 1 に示すように、3D プリントノズルの誤差に敏感な方向は X 軸と Y 軸方向です。つまり、この 2 つの方向の変形はノズルの印刷精度に直接影響します。 3Dプリントノズルの定常温度分布場のシミュレーション結果を図2に示します。

図2(a)はノズルの温度場分布雲図を示し、図2(b)はノズルの全変形図を示す。図 2 をまとめると、表 1 に示すデータが得られます。その中で、重要な構成部品であるモーターの温度は 238°C にも達し、モーターの動作性能と寿命に大きな影響を与えます。表1をまとめると、熱膨張変形の法則によれば、この構造のノズルには明らかな温度差があり、ノズル印刷の敏感な方向で安定化フレームとヒートシンクの熱変形を引き起こしていると結論付けることができます。図2（b）からわかるように、最大の変形は安定化フレームで発生し、X方向の変形が最も大きく、0.298 mmに達し、そこに取り付けられたノズルの印刷精度に大きな影響を与えます。また、材料線を溶かすために使われた熱が広い範囲で他の部分に伝わるため、熱損失が発生します。

2.2.2 熱解析結果をまとめ、ノズルの熱分布の合理性を分析する<br /> 物体内部に温度差、つまり温度勾配がある場合、物体の高温部から低温部へ熱が伝わることを熱伝導といいます。異なる物体が接触している場合、熱は高温の物体から低温の物体に伝わります。熱伝導はフーリエの法則に従います: q*=-Knn堕T堕n （2）ここで、q*は熱流束密度、Knnは熱伝導率、堕T堕nはn方向に沿った温度勾配、Tは温度、nは温度分布図の法線方向、負の符号は熱が温度低下の方向に流れることを示します。物体が電磁波を通じてエネルギーを伝達する方法は放射と呼ばれます。物体の温度が高いほど、単位時間あたりに放射される熱量が多くなります。システム内の各物体は同時に熱を放射および吸収し、それらの間の正味の熱伝達は、シュテファン・ボルツマン方程式を使用して計算できます。q=εσA1F12(T14-T24) (3) ここで、q は熱流束を表します。ε は放射率を表します。σ はシュテファン・ボルツマン定数です。A1 は放射面 1 の面積を表します。F12 は放射面 1 から放射面 2 までの形状係数です。T1 は放射面 1 の絶対温度です。T2 は放射面 2 の絶対温度です。式（１）から、図２の構造のノズルは明らかに部品材料自体の熱変形を引き起こし、それによって敏感な方向ＸとＹに変形を引き起こし、ノズルの印刷精度に影響を与えることが分かる。全体的な熱変形クラウドマップによると、最大の変形は安定化フレームで発生し、印刷ノズルはその上に配置および設置されているため、安定化フレームの変形は印刷エラーの敏感な方向に直接作用します。その理由は、加熱ブロックが安定化フレームと直接面接触しているためです。本稿では、3D印刷ノズルのシミュレーション実験を通じて、すべての熱伝達方法の中で、面接触伝導がノズルの変形に最も大きな影響を及ぼし、放熱効果は比較的小さいことを発見しました。したがって、ノズル部品間のレイアウトを最適化すると、放熱形態を増やし、温度差の大きい面接触形態を減らすことができます。

3. 構造最適化
3.1 解析結果に基づいてノズルを改良する<br /> 3D プリントノズルの印刷精度に影響を与える構造的要因は、駆動輪と従動輪間の摩擦、ワイヤチャネルの幾何学的特性など、数多くあります。本論文では、主に構造に敏感な方向の熱変形と製造コストを研究し、上記の分析と要約に基づいて、ノズルを最適化および改善し、主にスタビライザーやワイヤ供給ガイドホイール機構などの重要なコンポーネントを改善しました。改善されたモデルは、次の点で以前のモデルと異なります。
① 加熱ブロックは安定フレームから8〜10mm離して配置され、熱伝達モードが元の表面接触熱伝導から熱放射に変わるという利点があります。
②安定化フレームはモーターとは別に固定されています。
③ワイヤ送りガイドホイール機構の取り付け高さは安定フレームより5mm高くなります。

式（2）と（3）およびシミュレーション実験によれば、同じ温度伝達形態では、熱伝導の熱流束は熱放射の熱流束よりもはるかに大きいため、モーター、スタビライザー、ヒートシンクに伝達される温度も大幅に低下します。したがって、このレイアウトは、図3に示すように、ノズルの熱変形を減らし、熱を有効活用するのに役立ちます。

3.2 改良前後のモデルの熱力学シミュレーションの比較<br /> 改良されたノズルは、同じ温度負荷、境界条件、材料環境下で ANSYS 熱力学シミュレーション実験を受けました。シミュレーション結果を図 3 に示します。図2（a）と図3（a）を比較すると、温度分布が大きく変化していることがわかります。重要な構成部品であるモーターの温度は室温まで下がり、温度勾配がなくなり、モーターの作業環境が安定して安全であることが保証されています。改良前後のスタビライザー上の温度分布を比較すると、温度差は大幅に低下し、元の最高温度270℃から83℃になり、スタビライザー材料の変形がほぼなくなり、誤差に敏感な方向の変形が最小限に抑えられました。加熱銅ブロックの温度分布は加熱ブロックに集中して均一に分散されているため、溶融ワイヤの熱を効率的に利用できます。改良後、ワイヤ送りガイドホイール機構の温度は50℃以下に制御されるため、プラスチック部品など、より経済的な製造材料を選択できます。

図 2 (b) と図 3 (b) を比較すると、図 2 (b) で最大の変形は安定化フレームで発生し、変形量は 0.298 mm です。この上に取り付けられているノズルに基づくと、これらの変形はノズルの印刷エラーに直接つながります。改良後、図3（b）から、感応素子安定化フレームの変形が最大0.034mmに減少し、変形が元の12.5％に減少していることがわかります。図3（b）から、最大の変形は加熱ブロックで発生することがわかります。加熱ブロックはノズル上に設置されているため、それ自体の変形はノズルにほとんど影響を与えません。また、ノズルの変形は主にノズルの印刷方向、つまりZ軸方向に作用し、感応方向XおよびYには作用しません。したがって、このレイアウトのノズルの変形は、改良されていないノズルと比較して大幅に減少し、それによって 3D プリントノズルの印刷精度が向上すると結論付けることができます。改良前後の各部の温度比較と変形比較を表2に示します。表2から、改良後はノズルの各主要部の温度と最大変形が大幅に減少し、印刷精度の向上と熱の有効利用に役立っていることがわかります。

3.3 3Dプリントノズルの最適化設計
3Dプリントの産業化にとって、実際の生産と製造における3Dプリントノズルのコストは特に重要です。ノズル構造の中で最も要求の厳しい部分はワイヤ供給ガイドホイール機構であるため、製造が簡単で印刷効率が高いように、コストを継続的に削減し、構造を最適化する必要があります。

FIG4は、上記ノズルのワイヤ供給ガイドホイール機構である。FIG4の駆動輪を取り付けるための4mmの細いシャフトと2mmの凹凸溝は、従来の工作機械では加工が難しく、駆動輪と駆動輪の隙間には非常に高い精度が求められる。そのため、このような小型で高精度な部品の加工・製造は、必然的に3Dプリントノズルの製造コストを増加させることになる。このため、図5に示すようなワイヤ供給ガイドホイール機構を再設計し、従動輪を固定するためのシャフトをM4ネジで取り付け、従動輪の上下の位置決めを2mmのガスケットで行います。従動輪と駆動輪の隙間は、M4ネジ穴の位置によって決まります。したがって、位置精度が適切な穴をフライス加工できれば、隙間の要件を満たすことができ、細いシャフトを加工するよりもはるかに簡単です。この構造のもう1つの利点は、部品の互換性に基づいて、従動輪を固定するためのシャフトが摩耗または破損した場合、ワイヤ供給ガイドホイール機構全体を交換する必要がなく、M4ネジのみを交換する必要があることです。したがって、この構造を使用したワイヤ供給ガイドホイール機構は、印刷効率と精度を確保しながら、3Dプリントノズルの製造コストを大幅に削減できます。

シミュレーション解析とワイヤ供給ガイドホイール機構の構造解析および最適化を通じて、図 5 に示すような新しい 3D プリントノズルが得られました。実際の製造と 3D プリンターでの使用を通じて、このタイプの 3D 印刷ノズルは製造コストが低く、印刷効果が優れているという利点があり、3D 印刷業界の生産要件を満たすことができます。

結論本論文では、熱溶解積層法3Dプリントノズルの印刷工程における熱構造の不合理さが原因となる印刷精度の低下などの問題を研究するため、熱力学解析と構造最適化設計の理論を採用し、3Dプリントノズルの印刷精度と製造コストに影響を与える多くの要因を研究し、材料熱力学解析を実際の製造生産に適用します。加熱ブロックを別途配置して設置し、ワイヤ送りガイド機構の構造を改善し、シミュレーション実験と実際の生産使用を組み合わせることで、新しい3Dプリントノズルの変形は既存のノズルの12.5％に減少し、表面温度分布は合理的で、構造プロセスはシンプルで実用的であり、3Dプリントノズルの印刷誤差をさらに改善し、製造コストを削減するための理論的かつ実用的な基礎を築きました。

編集者（南極熊）
著者: Xiao Liang、Ma Xunming、Yao Yiyong、Xie Zhiyan (西安工科大学機械電気工学部、西安交通大学迅速製造国家工学研究センター)

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