面向基于挤出的增材制造的打印喷嘴优化形状设计

优化设计旨在为机械结构、装置或系统寻求满足一系列要求并带来最佳性能的最佳可能解决方案。在这项工作中，为用于基于挤出的增材制造的多种聚合物熔体设计了优化的喷嘴形状，旨在最小化压降并允许在较大挤出速度下实现更好的流动控制。这通过一种双重方法实现，即将全局优化算法与计算流体动力学相结合，以优化粘弹性流体的收缩几何形状，并对这些几何形状进行实验验证。在优化过程中，定义了喷嘴收缩截面的可变坐标，选择了目标函数，并在制造约束条件下引导优化算法。流动类型和流线图的比较表明，喷嘴形状对流动模式具有显著影响。根据流变特性的不同，优化后的解促进了剪切或拉伸流动，从而提高了材料流速。最后，对喷嘴性能的实验验证评估了实际打印流量、挤出力和整体打印控制。结果表明，优化喷嘴可以显著降低与回流相关的压降，对总压降产生积极影响（高达41%），并减少了回流效应。这项工作对增材制造行业具有现实意义，为提高打印速度、增强生产力以及改善打印质量和可靠性提供了机会。我们的研究推进了基于挤出的打印工艺技术，满足了行业需求并促进了增材制造领域的发展。