FDM快速成型机的数值模拟及结构优化

发布时间：2017-10-27 11:01

  本文关键词：FDM快速成型机的数值模拟及结构优化

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【摘要】：FDM快速成型工艺(Fused Deposition Modeling),又称熔融沉积造型,它的工作原理是首先将设计好的三维模型通过切片软件对其进行切片,将所得数据导入到3D打印机中,然后将打印线材(PLA、ABS等)加热到熔融状态后,通过挤压从喷嘴处将熔融状态下的线材挤出成丝状,接着按照切片所得的截面轨迹逐层打印堆积直至完成。采用FDM快速成型技术的3D打印机与传统工艺技术相比在加工成本、成型件的复杂程度等方面优势明显,在机械、土木工程、军事、医疗等方面也得到广泛的应用,有着良好的发展前景和巨大的商业价值。但由于FDM快速成型技术属于多学科相融合的一项技术,涉及机械、电子、材料、软件等领域的知识。因此,其在研发的过程中所遇到的问题也是错综复杂的,例如喷头轨迹的规划、填充和回抽的算法、运算控制软件的开发、打印材料的诸多限制、打印复杂模型时间长、喷嘴结构无法长时间反复工作等问题。因此,本文结合日常使用中遇到的问题,选择其中的三种(喷嘴经常堵料、打印时间过长、发生故障时拆卸繁琐),运用ANSYS Workbench软件对其中涉及到的温度场、热力耦合等问题进行数值模拟,得到相关的数据,最终通过实验验证数值模拟的准确性,主要研究内容如下:(1)基于一种新型的喷嘴与旧喷嘴的温度场对比作为引导,引导出喷嘴温度场的稳定性、温差的范围对线材熔融过程的假设,以高斯热源模型作为喷嘴的热源,结合ANSYS Workbench软件的稳态温度场分析模块,对新旧两种喷嘴的温度场进行数值模拟;(2)打印速度能否得到提高的关键取决于最终的成型件是否稳定,所以将新喷嘴的打印速度调整到旧喷嘴打印速度的两倍,对比其最终打印成型件的温度场。这一过程依然要借助ANSYS Workbench软件,但由于成型件的成型过程是逐层打印依次成型的过程,因此常规方法无法真实的模拟该过程,所以需要借助生死单元技术和APDL汇编语言来完成;(3)借助成型件温度场的模拟数值,可直接对其应力场进行模拟,将成型件的打印起始点Z轴设定为边界约束,将所有节点的温度依次加载到成型件上,最终完成数值模拟;(4)新型FDM快速成型机结构的设计;(5)实验验证之前对新旧喷嘴和成型件的温度场和应力场的数值模拟的准确性。
【关键词】：FDM 生死单元技术 数值模拟
【学位授予单位】：辽宁科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP334.8
【目录】：

• 中文摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 选题背景及研究意义10-13
• 1.2 基于FDM快速成型工艺的 3D打印机国内外发展现状13-18
• 1.2.1 FDM快速成型机国外发展现状13-16
• 1.2.2 FDM快速成型机国内发展现状16-18
• 1.3 FDM快速成型机原理18-21
• 1.3.1 概念18-19
• 1.3.2 应用原理及流程19-21
• 1.4 本文主要研究内容21-23
• 1.4.1 主要研究的内容21-22
• 1.4.2 预期结果22-23
• 第2章 温度场热源模型的建立23-28
• 2.1 FDM快速成型机温度场分析23
• 2.2 FDM快速成型机温度场热传导方程的建立23-25
• 2.3 热源模型的建立25-27
• 2.3.1 打印头热源模型的建立25-27
• 2.3.2 加热板热源模型的建立27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 温度场的数值模拟28-46
• 3.1 有限元数值模拟的基本假设28
• 3.2 材料的物理参数28-29
• 3.3 新结构喷嘴29-30
• 3.4 扫描方式30-31
• 3.5 新旧喷嘴温度场的数值模拟31-40
• 3.5.1 喷嘴温度场数值模拟的意义31
• 3.5.2 喷嘴温度场数值模拟过程的实现31-36
• 3.5.3 新旧喷嘴温度场数值模拟仿真云图对比36-40
• 3.6 成型件温度场的数值模拟40-44
• 3.6.1 成型件温度场数值仿真模拟的意义40
• 3.6.2 成型件温度场数值模拟过程的实现40-43
• 3.6.3 成型件在新旧喷嘴作用下的温度场数值模拟结果对比43-44
• 3.7 本章小结44-46
• 第4章 应力场的数值模拟46-57
• 4.1 热-力耦合场分析理论46-50
• 4.1.1 热-力耦合场分析基本理论47-50
• 4.1.2 热-力耦合场分析基本假设50
• 4.2 应力场的数值模拟50-53
• 4.2.1 成型件应力场数值模拟的实现50-53
• 4.3 成型件应力场对比53-56
• 4.4 本章总结56-57
• 第5章 实验验证与结构优化57-66
• 5.1 实验目的57
• 5.2 实验参数与测量57-58
• 5.2.1 实验参数57-58
• 5.2.2 喷嘴的测量环境和测量工具58
• 5.3 验证及数据分析58-62
• 5.3.1 新旧喷嘴仿真结果验证与分析58-59
• 5.3.2 新旧喷嘴打印速度对比分析59-61
• 5.3.3 新旧喷嘴成型件应力场仿真与试验对比分析61-62
• 5.4 新型FDM快速成型机结构62-64
• 5.3.1 存在的问题62-63
• 5.3.2 解决方案63-64
• 5.5 新旧结构对比64-65
• 5.6 本章小结65-66
• 结论和展望66-67
• 参考文献67-69
• 致谢69-70
• 作者简介70-71

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本文编号：1103181