光固化3D打印机LCD屏散热方案仿真研究.pdf

木工机床2023No.3Design and Research设计与研究光固化光固化3D打印机打印机LCD屏散热方案仿真研究屏散热方案仿真研究Thermal simulation study of LCD screen heat dissipation in light-curing 3D printers黄艺坤于 仙李奕飞朱熙之吴开新（厦门大学嘉庚学院机电工程学院，福建 漳州 363105）摘要：LCD屏式光固化3D打印机具有高精度、快速、低成本等优点，已被广泛应用于各个行业。由于打印过程中光敏树脂的聚合反应会导致LCD屏温度偏高，影响使用寿命。为解决LCD屏散热问题，文章提出三种遮光罩散热方案，利用ANSYS流体仿真分析遮光罩内气体流动速度及流体压力，得到散热仿真效果，再使用接触式温度仪实测三种方案的散热效果。结果表明，散热仿真与实测效果基本一致，采用2个散热风扇接近屏幕时，散热效果最佳，最高温度接近41。关键词：光固化；遮光罩；流体仿真；3D打印中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1005-1937（2023）03-019-04Abstract：LCD screen 3D printer has been widely used in various industries due to its high precision，speed，and low cost.However，the aggregation reaction of photosensitive resin during the printing process can cause the LCD screen to overheat and affect itsservice life.In order to solve the LCD screen heat dissipation problem，this article proposes three shading hood heat dissipationschemes and use the ANSYS fluid simulation to analyze the gas flow rate and fluid pressure inside the shading hood，and to obtain theheat dissipation simulation effect.Then，three kinds of heat dissipation schemes are actually tested using a contact-type thermometer.The results show that the heat dissipation simulation and the actual test results are basically consistent.When two heat dissipationfans are close to the screen，the heat dissipation effect is the best，and the highest temperature is close to 41.Key words：stereolithography；shading hood；fluid simulation；3D printing目前光固化 3D 打印主要有 SLA、DLP 和 LCD三种技术。SLA通过振镜系统控制激光扫描路径固化树脂溶液；DLP则是利用面光源投射在树脂溶液上进行成型；LCD是通过使用LCD屏幕遮盖紫外光源来照亮3D打印的横截面。主流的LCD屏光固化3D打印技术采用菲涅尔凸透镜光源或矩阵光源取代DLP技术中的激光光源，其突出优点在于：设备成本更低、精度更高以及体积更小。因此，它被广泛应用于机械、牙科和艺术品制作等众多行业。随着这类精度较高、体积较小的打印机被广泛应用，其稳定性、耐用性已经成为使用者们最为关注的问题。LCD屏幕的寿命直接影响到整机的使用寿命，因此影响屏幕使用寿命的因素也成为了行业内一个重要的研究方向1-4。除了受到撞击、弯折等物理损伤外，LCD屏幕在日常使用过程中，温度对屏幕内液晶的物理性质影响十分明显，因此对其使用寿命的影响也较为明显5，6，本文以某型号LCD光固化3D打印机为研究对象，研究遮光罩散热方式对屏幕散热效果的影响。本文设计了三种不同的遮光罩散热方案，先通过 ANSYS对三种散热方案进行流体仿真，得到仿真散热效果，再将三种方案的遮光罩安装在整机中，进行真实工况下的屏幕表面温度测试，从而得到最优的散热方案。1LCD屏式光固化3D打印机屏幕散热装置设计1.1散热机构组成LCD 屏式光固化 3D 打印机结构如图 1 所示。初始状态时，成型托盘与离型膜、LCD屏贴合，开始打印时，成型托盘上移一定高度（打印层厚），波长为405 nm的紫外光源经过菲涅尔凸透镜折射后变为平行光穿过LCD屏及离型膜照射在树脂槽内的液态树脂上，液态树脂经紫外光照射后固化于成型托盘与离型膜之间，已成型样件与成型托盘在Z轴作者简介：黄艺坤（1992），男，硕士，助教，研究方向：物联网技术及机电一体化设备研发。通讯作者：于仙（1985），女，硕士，高级实验师，研究方向：3D打印设备研发。E-mail：19WOODWORKING MACHINERY设计与研究Design and Research模组的作用下与离型膜剥离，重复完成上述离型动作，直至打印结束。打印过程中很大一部分光源能量转化为热能，使得树脂温度上升，进而导致LCD屏温度上升。为了及时降低屏幕表面温度，在遮光罩的两侧安装两组散热风扇，一组风扇向内鼓气，一组向外排气，在遮光罩上合理地布置风扇以加快气体流动，是降低屏幕表面温度、提高使用寿命的一种有效方法。图图1 1LCDLCD屏式光固化屏式光固化3 3D D打印机结构打印机结构1.光源；2.遮光罩；3.排气扇组；4.LCD屏；5.离型膜；6.成型托盘；7.树脂槽；8.菲镜；9.鼓气扇组1.2散热装置设计在散热装置设计过程中，为了经济、高效地降低屏幕表面温度，应当选择参数合适的风扇，并确定风扇的安装数量和位置。风扇的风量，即散热风扇每分钟排出或纳入的空气总体积，是衡量风扇散热能力的最重要指标，风量越大的散热风扇其散热能力也越高7-9。由于空气的热容比率是一定的，选择风量大的风扇能保持相同体积遮光罩内的空气温度更低，从而使得LCD屏向空气导热更快，但是同时也需要更大的安装空间以及更大的功率消耗。相同风量的情况下，合理的风流动方式能够带来更好的散热效果。因此风扇的布置位置直接影响了作用在LCD屏幕下表面的气体流量等参数，对散热效果影响也较大。由于设备空间结构限制，遮光罩侧壁倾斜角度已经确定，风扇吹出的气流在遇到菲镜表面后，通过另外一端装有排气扇的位置排出气体。风扇鼓入的气体与遮光罩侧壁垂直，并且吹向屏幕的中心点，经反射后由对称位置的排气扇抽出。综合上述风扇选型及安装位置分析，初步确定了3种散热装置方案如表1所示。2遮光罩流体仿真及结果分析2.1遮光罩内气流仿真计算表表1 1三种散热装置设计方案三种散热装置设计方案方案123方案说明鼓气和进气各1个风扇，风量为1.05 m3/min，风扇位置如图1所示鼓气和进气各2个风扇，风量均为0.23 m3/min，风扇位置与方案1相同鼓气和进气各2个风扇，风量均为0.23 m3/min，风扇位置比方案1高10 mm利用 ANSYS 软件 fluent 模块完成遮光罩内气流仿真。将遮光罩三维模型导入软件中，在三维几何模型分别导入后，在 DesignModeler 模块下利用Fill指令提取遮光罩内的气体模型，将其特性定义为流体。定义流体模型的进风口、出风口及壁面。将气流模型网格划分类型设置为CFD，采用六面体主体划分法进行单元划分，网格大小为1.6915 mm，单边风道、三种方案最终网格数量分别为 43300、47370、87450。3D打印机选用的风扇型号分别为ME80152V1-000C-A99，ME40101V1-000C-A99，ME40101V1-000C-A99，其风量分别为1.05 m3/min，0.23 m3/min，0.23 m3/min，由于进风口面积分别为3316.625 mm2，2267.08 mm2，2267.08 mm2，则可知风速为8.794 m/s，5.55 m/s，5.55 m/s。选择k-epslon标准模型，设置气体为流体介质、重力加速度为9.8 m/s2，边界载荷施加位置及参数设置如表2所示。表表2 2边界参数设置表边界参数设置表序号123载荷施加位置进风口出风口壁面参数设置方案1：流体速度8.794 m/s，Z轴方向方案2：流体速度5.55 m/s，Z轴方向方案3：流体速度5.55 m/s，Z轴方向压力值为0光滑壁面2.2仿真结果分析2.2.1压力仿真结果分析三种方案遮光罩内气流最大压力云图如图 2所示，方案一流体最大压力发生在风扇入口位置，作用在屏幕表面的气流压力在 2.048e-07 Pa 至4.570e-07 Pa，中间部分压力略微不均匀；方案2流体最大压力发生在风扇入口边缘，作用在屏幕表面气流压力在5.072e-07 Pa至3.23e-08 Pa，靠近右侧20木工机床2023No.3Design and Research设计与研究屏幕压力较小；方案3最大压力也发生在风扇入口处，屏幕表面压流体压力在3.994e-07 Pa至1.067e-06 Pa之间，左侧屏幕压力比右侧屏幕压力相对大些，中间部分压力均匀。由于打印过程中屏幕常用范围在中间位置，故方案3最优。（a）方案1（b）方案2（c）方案3图图2 2三种方案气体压力云图三种方案气体压力云图2.2.2速度仿真结果分析由遮光罩内气体流速矢量图得出，三种方案遮光罩内气体流速分别为 1.4e-04 m/s，8.5e-05 m/s，1.5e-04 m/s，方案3气体流速相对较大，即散热效率相对较高，故该方案较优。3屏幕表面温度测试及结果分析为了验证不同散热方案对LCD屏幕的散热影响及仿真结果的准确性，采用接触式测量对屏幕表面进行温度测试。为保证测量的准确性，本测试采用五点取样法，使用TM920C型测温仪采集屏幕表面5个位置的温度，记录打印机开紫外灯光源、开屏 1小时（模拟打印机工作 1小时的状态）温度变化。将5个测试点的温度取平均值，得到测试周期内屏幕表面温度变化。如图3所示，方案1，2，3屏幕表面温度逐步趋近于46，45，41。因此方案3散热效果较好，与仿真结果吻合。图图3 3三种方案屏幕表面温度变化曲线三种方案屏幕表面温度变化曲线4结语分析三种方案遮光罩内流体仿真结果及实际工况下屏幕表面温度的测试数据，可得到以下结论：1）采用两个风扇对屏幕进行散热，散热效果相对较好；2）风扇布置位置接近屏幕，其散热效果相对较好；3）流体仿真结果与测试结果一致，准确度较高，该方法进行可进行多种方案的仿真验证。参考文献：1 江圣民.ANSYS Workbench19.0基础入门与工程实践M.北京：人民邮电出版社，2019，266.2 金洁，尤子峰，李铭，王子阳.LCD光固化3D打印机的改造与研究J.2019（2）：81-87.3 林鑫灿.熔融沉积式（FDM）3D打印机快速打印喷头设计及性能研究D/OL.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2022：27-392023-04-24.https：/ 张洋.基于FDM技术的3D打印机机械结构设计及控制系统研究D/OL.长春：长春工业大学，2017：44-462023-04-24.https：/ 谭富德，王克用，郭根清，张凯，曾人宇.3D打印机喷头结构以及材料优化及温度场有限元分析J.2022（10）：140-144.（下转第28页）21WOODWORKING MACHINERY工艺与装备Technology and Equipment表表3 3方差分析结果表方差分析结果表方差来源因素A因素B误差E总和T离差平方和S0.4291.1830.3281.940自由度f33915均方S/f0.1430.3940.036-F值3.91610.808-F0.053.863.86-显著性显著显著-艺参数可以进行实际的推广应用，我们对试验结果进一步分析，孔径3.5 mm时，试验结果明显优于其他组，但是如果银耳耳基较软，或者扎孔力度控制不稳定，很容易造成耳基中心部位的延伸开裂，如图1所示。因此该组参数很难用于实际生产中。本文研究认为孔径3 mm在生产应用中最优，烘干效果如图2所示，没有出现开裂现象，孔洞烘干后扩大较小。当孔径为3 mm时，4个水平的烘干时图图1 1孔径孔径3 3.5 5mmmm扎孔烘干效果扎孔烘干效果图图2 2孔径孔径3 3mmmm扎孔烘干效果扎孔烘干效果间缩短分别为18.5%、17.1%、14.6%、13.6%，前两个水平的试验结果仅相差了0.14小时，可以看出孔距的影响边界出现了。在实际生产中，扎孔的孔距越大对于耳基的伤害越小，扎孔操作也更容易，所以综合考虑，扎孔工艺参数的最优组合为孔径3 mm，孔距6 mm。4结语本文研究银耳耳基扎孔工艺，分析了多个工艺参数对银耳烘干时间的影响规律，在综合考虑了银耳烘干良品率和扎孔工艺的可应用性的基础上，通过正交试验，得出了扎孔工艺的最优方案：孔径3mm，孔距6 mm，扎针采用矩形阵列，扎孔范围为50 mm外接圆的矩形，扎透耳基。使用最优方案进行了多次试验验证，均得到研究预期的结果。参考文献：1 刘方明，王丰.银耳自动翻转机构的设计与试制J.木工机床，2020（4）：12-16.2 钟咏汕，陈晓宁，等.不同浸泡时间对银耳营养物质损失的影响J.福建农业学报，2017（12）：1370-1374.（收稿日期：2023.08.18）6 钱崇伟.熔融沉积3D打印机螺杆式挤出装置的设计及耗材制备与性能研究D/OL.兰州：兰州交通大学，2023：25-262023-04-24.https：/ 邓文强，郭润兰，李典伦，薛凯.基于熵值法和灰色关联的 FDM 3D 打印机喷嘴结构优化设计J.塑料工业 2020（11）：60-65.8 陈韵律，安芬菊，廖小龙，等.基于LCD屏的光固化3D打印机设计J.机电工程技术，2020（12）：57-58+164.9 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