Optimal shape design of printing nozzles for extrusion-based additive manufacturing

喷嘴 挤压 压力降 回流 材料科学 机械工程 3D打印 体积流量 流变学 机械 复合材料 工程类 物理 入口
作者
Tomás Schuller,Maziyar Jalaal,Paola Fanzio,Francisco J. Galindo‐Rosales
出处
期刊:Additive manufacturing [Elsevier]
卷期号:84: 104130-104130
标识
DOI:10.1016/j.addma.2024.104130
摘要

The optimal design seeks the best possible solution(s) for a mechanical structure, device, or system, satisfying a series of requirements and leading to the best performance. In this work, optimized nozzle shapes have been designed for a wide range of polymer melts to be used in extrusion-based additive manufacturing, which aims to minimize pressure drop and allow greater flow control at large extrusion velocities. This is achieved with a twofold approach, combining a global optimization algorithm with computational fluid dynamics for optimizing a contraction geometry for viscoelastic fluids and validating these geometries experimentally. In the optimization process, variable coordinates for the nozzle's contraction section are defined, the objective function is selected, and the optimization algorithm is guided within manufacturing constraints. Comparisons of flow-type and streamline plots reveal that the nozzle shape significantly influences flow patterns. Depending on the rheological properties, the optimized solution either promotes shear or extensional flow, enhancing the material flow rate. Finally, experimental validation of the nozzle performance assessed the actual printing flow, the extrusion force and the overall print control. It is shown that optimizing the nozzle can significantly reduce backflow-related pressure drop, positively impacting total pressure drop (up to 41 %) and reducing backflow effects. This work has real-world implications for the additive manufacturing industry, offering opportunities for increased printing speeds, enhanced productivity.
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