(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111648623.6 (22)申请日 2021.12.3 0 (71)申请人 盐城工学院 地址 224599 江苏省盐城市希望大道中路1 号 (72)发明人 郝昕玉　张广冬　周临震　王福元　 (74)专利代理 机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 专利代理师 马严龙 (51)Int.Cl. B29C 64/209(2017.01) B29C 64/386(2017.01) B33Y 30/00(2015.01) B33Y 50/00(2015.01) G06F 30/17(2020.01)G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 FDM-3D打印机的喷嘴的类多边形出丝孔的 设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种FDM ‑3D打印机的喷嘴的 类多边形出丝孔的设计方法； 出丝孔的形状优选 为类正方形、 类等腰直角三角形， 挤出胀大后所 对应的挤出丝的截面形状为正方形、 等腰直角三 角形。 首先， 确定挤出丝的期望截面几何、 出丝孔 长度和自由射流段长度； 接着， 通过实验数据拟 合确定熔融丝料的流变模型及其参数； 然后， 建 立有限元模型， 定义材料参数、 计算域和边界条 件； 最后， 采用CFD软件对有限元模型进行求解， 以挤出丝的截面形状为目标， 逆向设计喷嘴出丝 孔的截面几何。 本发明有效解决了FDM ‑3D打印过 程中， 打印制品粗糙度高， 空隙较大的问题， 提高 了3D打印制品的表面 光洁度和力学性能。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 114516169 A 2022.05.20 CN 114516169 A 1.一种FDM ‑3D打印机的喷嘴的类多边形出丝孔的设计方法， 其特征在于， 包括以下步 骤： 步骤一： 确定需要挤出丝的截面几何， 确定出丝孔长度和自由射 流段长度； 步骤二： 熔融丝料的流变参数的确定； 采用流变仪测试得到熔融丝料的流变实验数据； 将多个流变模型分别作为理论函数， 在数据分析软件中采用最小二乘法对流变实验数据进 行回归拟合， 得到流变模型 的流变参数和拟合决定系 数； 将拟合决定系 数最大的流变模型 及其流变参数用于后续的数值模拟； 步骤三： 有限元模型的建立； 根据步骤一中挤出丝的期望截面几何、 出丝孔长度和自由 射流段长度， 在三维建模软件中建立了喷嘴出丝孔流道和自由射流段 的参数化几何模型； 将参数化几何模型导入到网格划分软件中， 对几何模型进行参数化网格离散， 得到参数化 网格模型； 基于参数化网格模 型， 在CFD软件中采用步骤二中所得到的流变模型及其流变参 数来定义材 料参数， 并定义计算 域和边界条件， 生成有限元模型； 步骤四： 采用CFD软件和步骤三所建立的有限元模型， 对喷嘴出丝孔的横截面几何进行 逆向设计， 得到喷嘴出丝孔的横截面几何， 通过CFD软件导出IGES格式的CAD文件用于出丝 孔的数控加工 。 2.根据权利要求1所述的一种FDM ‑3D打印机的喷嘴的类多边形出丝孔的设计方法， 其 特征在于： 所述步骤一中， 挤出丝的截面几何优选为正方形、 等腰直角三角形， 出丝孔的截 面几何优选为类正方 形、 类等腰直角三角形。 3.根据权利要求1所述的一种FDM ‑3D打印机的喷嘴的类多边形出丝孔的设计方法， 其 特征在于： 所述步骤二中， 流变实验数据主要包括： 在一定的工艺温度下， 粘性流体在不同 剪切速率范围内所对应的剪切粘度， 粘弹性流体在不同频率范围内所对应的弹性模量G'和 粘性模量G' '。 4.根据权利要求1所述的一种FDM ‑3D打印机的喷嘴的类多边形出丝孔的设计方法， 其 特征在于： 所述步骤二中， 流变仪优选为旋转流变仪、 毛细管流变仪； 所述数据分析软件优 选为Origin、 ANSYS  Polymat； 所述流变模型优选为幂律模型、 Bird ‑Carreau模型、 P TT模型、 KBKZ模型。 5.根据权利要求1所述的一种FDM ‑3D打印机的喷嘴的类多边形出丝孔的设计方法， 其 特征在于： 所述步骤三中的三维建模软件优选为ANSYS  Designmodeler、 ANSYS   Spaceclaim， 所述的网格划分软件优选为ANSYS  Meshing、 Gambit、 Hypermesh； 所述的C FD软 件优选为ANSYS  Polyflow、 STAR ‑CCM+； 所述的边界条件包括入口边界条件、 出口边界条件、 壁面边界条件、 对称面 边界条件、 自由表面 边界条件。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114516169 A 2FDM‑3D打印机的喷嘴 的类多边形出 丝孔的设计方 法 技术领域 [0001]本发明涉及FDM打印装置领域， 具体涉及一种FDM ‑3D打印机的喷嘴的类多边形出 丝孔的设计方法。 背景技术 [0002]熔融沉积成型 （Fused  Deposition  Modelling,  FDM） 由美国Stratasys公司的 Scott Crump发明， 是继光固化快速成型 （SLA） 和叠层 实体快速成型工艺 （LOM） 后的另一种 应用比较广泛的3D打印技术。 FDM的工作原理是， 将丝状的热塑性材料通过喷头加热熔化， 喷头底部带有微细喷嘴， 在计算机控制下， 喷头根据3D模 型的数据移动到指 定位置， 将熔融 状态下的液体材料挤喷出来并最终凝固。 材料被喷出后沉积在前一层已固化的材料上， 通 过材料逐层堆积形成最终的成品。 [0003]现有的FDM ‑3D打印机喷嘴的出丝孔均为圆形， 孔径介于Φ0.1~Φ1.2 mm。 喷嘴的 材质为不锈钢、 黄铜等。 在离开喷嘴后挤出胀大， 熔融物的外径略有增大， 外形仍为圆形。 由 于热塑性聚合物熔融物的形状为圆形， 在打印过程中沉积时会产生空隙， 导致打印制品的 强度不足。 此外， 采用圆形喷嘴得到的3D打印制品表面粗糙度较差， 需要增加打磨抛光工 序。 发明内容 [0004]本发明提出了一种FDM ‑3D打印机的喷嘴的类多边形出丝孔的设计方法， 来解决现 有的圆形 出丝孔所 得到的FDM ‑3D打印制品存在空隙的问题。 [0005]为了实现上述目的， 本发明采用了如下技 术方案： 一种FDM‑3D打印机的喷嘴的类多边形出丝孔 的设计方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： 步骤一： 确定需要挤出丝的截面几何， 确定出丝孔长度和自由射 流段长度； 步骤二： 熔融丝料的流变参数的确定； 采用流变仪测试得到熔融丝料的流变实验 数据； 将多个流变模型分别作为理论函数， 在数据分析软件中采用最小二乘法对流变实验 数据进行回归拟合， 得到流变模型 的流变参数和拟合决定系 数； 将拟合决定系数最大 的流 变模型及其 流变参数用于后续的数值模拟； 步骤三： 有限元模型的建立； 根据步骤一中挤出丝的期望截面几何、 出丝孔长度和 自由射流段长度， 在三维建模软件中建立了喷嘴出丝孔流道和自由射流段的参数化几何模 型； 将参数化几何模 型导入到网格划分软件中， 对几何模型进 行参数化网格离散， 得到参数 化网格模型； 基于参数化网格模型， 在CFD软件中采用步骤二中所得到的流变模 型及其流变 参数来定义材 料参数， 并定义计算 域和边界条件， 生成有限元模型； 步骤四： 采用CFD软件和步骤三所建立的有限元模型， 对喷嘴出丝孔的横截面几何 进行逆向设计， 得到喷嘴出丝孔的横截面几何， 通过CFD软件导出IGES格式的CAD文件用于 出丝孔的数控加工 。说　明　书 1/4 页 3 CN 114516169 A 3