增材頂刊：利用CT 掃描儀監(jiān)測(cè)材料擠出3D打印機(jī)熱端絲材的熔化和流動(dòng)

導(dǎo)讀：現(xiàn)如今,，CT技術(shù)被廣泛應(yīng)用于 3D 打印領(lǐng)域內(nèi)的質(zhì)量檢測(cè)方面,，尤其是金屬激光粉末床熔融工藝,。在這些應(yīng)用中，CT掃描技術(shù)有助于增強(qiáng)對(duì)3D 打印的理解,，更重要的是,，可以檢查成品零件是否存在內(nèi)部空隙或裂紋。

2023年9月26日,，南極熊獲悉,，來(lái)自德國(guó)斯圖加特大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)最近開(kāi)辟了新領(lǐng)域,，應(yīng)用CT掃描來(lái)檢查桌面3D打印機(jī)的熱端部位。相關(guān)研究以題為“Analysis of melting andflow in the hot-end of a material extrusion 3D printer using X-ray computedtomography”的論文被發(fā)表在《Additive Manufacturing》期刊上,，論文由斯圖加特大學(xué)藝術(shù)技術(shù)研究所的 Julian Kattinger,、Mike Kornely、Julian Ehrler,、Christian Bonnet 和 Marc Kreutzbruck等人聯(lián)合撰寫(xiě),。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423003755?via%3Dihub

本文介紹了用于研究熔絲制造打印機(jī)傳統(tǒng)熱端內(nèi)流動(dòng)行為的原位 X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT) 實(shí)驗(yàn)。為了更好地了解熔體和流動(dòng)行為,，進(jìn)行了三種類型的實(shí)驗(yàn),。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行了360° CT 掃描,，重點(diǎn)關(guān)注燈絲和噴嘴壁之間的氣隙,。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用射線照相技術(shù)研究了噴嘴內(nèi)的流動(dòng)剖面,。為了與周圍的噴嘴材料提供良好的對(duì)比度，制備了含有少量鎢粉作為對(duì)比劑的燈絲,。在第三次測(cè)試中,，擠出機(jī)測(cè)量了力，并將其與 X 射線結(jié)果和數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)進(jìn)行了比較,。

圖1 .(a) FFF 過(guò)程[2]和 (b) 典型打印頭設(shè)計(jì)的示意圖,。

圖2 .(a) Bellini 的假設(shè)和 (b) Osswald的噴嘴內(nèi)熔化機(jī)制假設(shè)的示意圖

圖3 . (a) 原位 CT 掃描設(shè)置和 (b) 擠壓力測(cè)量設(shè)置的示意圖，以及 (c) 所用稱重傳感器的詳細(xì)視圖,。

研究的重點(diǎn)是配備了 E3D-V6 熱端和 Duet 板的 Bondtech LGX 擠出機(jī),，所有設(shè)備都被置于 CT 掃描儀附近。為了獲得最佳 CT 掃描效果,，原來(lái)的加熱器塊被更換為專門(mén)的鋁制版本,。采用稱重傳感器來(lái)測(cè)量通過(guò)噴嘴擠出所需的力。研究團(tuán)隊(duì)采用 360° CT 掃描來(lái)觀察擠壓過(guò)程中的材料,。使用的絲材是HIPS材料,，這是一種有點(diǎn)非常規(guī)的選擇，并摻有鎢作為造影劑,。在不同的打印溫度（220°C,、240°C 和 260°C）下進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

這項(xiàng)研究探討了壁滑移效應(yīng),、材料流動(dòng)和擠壓所需的力等方面,。研究結(jié)果表明，提高長(zhǎng)絲擠出速度可以擴(kuò)大噴嘴內(nèi)的熔體區(qū)域,。然而,，更快的速度也意味著燈絲加熱和熔化的時(shí)間更短,。此外，在較高的擠出速度下,，細(xì)絲在進(jìn)入打印頭時(shí)更容易彎曲,。

CT 掃描顯示，在較高的擠出速度下,，噴嘴壁與熔體接觸的面積較小,。這意味著筒體部分的較大部分被實(shí)心絲和噴嘴壁之間的氣隙占據(jù)。與絲材擠出速度相反,，加熱器溫度的影響對(duì)充滿熔體的噴嘴部分沒(méi)有顯示出明顯的影響,。速度剖面的射線照相評(píng)估揭示了在研究條件下的拋物線分布，與將流動(dòng)建模為等溫和非牛頓的數(shù)值模擬密切匹配,。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察,，研究小組發(fā)現(xiàn)細(xì)絲在噴嘴壁上保持靜止，在噴嘴中心達(dá)到最大速度,。他們還觀察到,，較高的擠出速度可能會(huì)產(chǎn)生更大的力，從而可能導(dǎo)致擠出問(wèn)題,。作為解決方案,，該團(tuán)隊(duì)建議設(shè)計(jì)具有更長(zhǎng)槍管的噴嘴，特別是對(duì)于高速打印應(yīng)用,。展望未來(lái),，他們的目標(biāo)是更深入地研究打印頭的內(nèi)部工作原理并研究絲材的熔化行為。

這是一項(xiàng)很有意義的工作,，并強(qiáng)調(diào)了桌面級(jí)3D打印行業(yè)應(yīng)該關(guān)注的重點(diǎn),。我們不應(yīng)該花時(shí)間在調(diào)整打印機(jī)的功能、移動(dòng)速度和軟件上,，而應(yīng)該花更多的時(shí)間來(lái)理解和專注于噴嘴內(nèi)部發(fā)生的復(fù)雜情況,。對(duì)實(shí)際熔化的進(jìn)一步了解可以得出很多有關(guān)噴嘴設(shè)計(jì)和設(shè)置的信息：在噴嘴上制作某種圖案可以改善 3D 打印機(jī)的熔化行為，新的更長(zhǎng)的噴嘴可以打印得更快,、更準(zhǔn)確,。

該研究也可以測(cè)試3D打印機(jī)中地哪些設(shè)計(jì)和材料是最佳的。3D打印機(jī)的升級(jí)改進(jìn)往往更多地關(guān)注運(yùn)動(dòng)控制,，聚焦在皮帶,、滑輪、校準(zhǔn)和底盤(pán)組件,，以制造更好的打印機(jī),。但是，定位噴嘴以連貫地?cái)D出物料是其他行業(yè)的許多其他公司也在做的一部分,。擠壓本身即是一個(gè)關(guān)鍵步驟,，這里的關(guān)鍵在于長(zhǎng)絲在哪里熔化以及如何熔化,、在什么溫度和壓力下熔化，以及熔絲液滴的沉積和下層的結(jié)合,，我們最后也希望看到更多與噴嘴相關(guān)的研究和調(diào)查,。

本研究中對(duì)實(shí)際熔化過(guò)程的全面分析可以徹底改變噴嘴設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)置。例如,，在噴嘴上引入特定圖案可能會(huì)增強(qiáng) 3D 打印機(jī)的熔化行為,。新設(shè)計(jì)的更長(zhǎng)的槍管可能會(huì)帶來(lái)更快、更精準(zhǔn)的打印,。此外,，嚴(yán)格的測(cè)試可以幫助確定此類創(chuàng)新的最佳設(shè)計(jì)和材料。

最后,，該研究的結(jié)果為改進(jìn)噴嘴設(shè)計(jì)提供了潛力,。此外，所提出的實(shí)驗(yàn)方法可以作為未來(lái)驗(yàn)證更復(fù)雜的數(shù)值模擬的寶貴工具,。