面向熔料沉积建模的平面喷嘴形状数值优化
计算工程、金融与科学
2026-05-15 v2
摘要
目的:在熔料沉积建模 (FDM) 中,喷嘴在实现高打印速度的同时保持精度方面发挥着关键作用。尽管其重要性显而易见,但大多数应用仍依赖标准喷嘴设计。本文研究了喷嘴几何对喷嘴内压力损失的影响,这是高速打印性能的关键因素。方法/方法:我们专注于优化喷嘴形状以最小化压力损失,并建立一个框架,允许进行简单基于角度的优化和更高级的样条参数化。为建模聚合物熔体流动,我们采用 Giesekus 模型以考虑默弹性效应。发现:对于基于角度的优化,压力损失目标函数存在两个局部最小值:一个与顺畅流动相关,另一个与喷嘴内部明显循环区域相关。后者虽然导致较低的压力降,但由于增加了滞留时间以及随之而来的材料降解和喷嘴堵塞风险,此类流动模式通常不可取。样条参数化的结果仅在压力损失方面实现了有限的额外减小,但显著降低了喷嘴的制造性。原创性/价值:本文提出了使用 Giesekus 模型进行 FDM 喷嘴形状优化的比较研究。我们引入了灵活的优化框架,能够容纳简单和高级的几何参数化。主要贡献在于系统性地比较了基于角度和基于样条的参数化在不同材料和挤出速度下的压力损失减小效果,表明大部分可实现的压力损失减小已经被更简单且制造友好的角度优化所捕获。
关键词
引用
@article{arxiv.2511.21449,
title = {Numerical Optimization of Planar Nozzle Shapes for Fused Deposition Modeling},
author = {Steffen Tillmann and Felipe A. González and Stefanie Elgeti},
journal= {arXiv preprint arXiv:2511.21449},
year = {2026}
}