基于FDM技术的混色3D打印机喷头研究

发布时间：2020-10-21 16:34

　　 为实现混色3D打印,解决打印过程中喷头结构和材料不合理、混色质量不高、打印精度差、喷头易堵塞等问题,分别对分支式和一体式三进一出混色喷头进行了对比分析研究。通过Solid Works三维建模软件,对混色喷头进行精细的三维建模,在Ansys有限元分析软件中,对混色喷头进行温度场和应力场仿真求解。对比求解结果,指出了该混色喷头的设计缺陷,然后对喷头进行优化设计,再次通过有限元分析验证了优化设计的合理性。最终进行打印试验,验证两款喷头的打印质量以及打印稳定性。本文以两种多挤出机单喷头作为研究对象,主要研究内容如下:1.分支式和一体式混色喷头模型的设计。使用三维建模软件设计了两种喷头模型,分支式喷头主要部件包括:散热器、喉管、加热管、热敏电阻、喷嘴,散热器为圆柱形片式,加热管放置于喷嘴中心位置,能够对喷嘴均匀加热。一体式喷头的主要部件相对分支式喷头增加了加热块,散热器则用了扇形散热器,提高散热效率;喉管采用钢制材料,以防止PLA膨胀或融化阻塞喷头;加热管对称放置,能够均匀加热。加热块中有材料混合腔有利于材料液体的混合。2.有限元热力耦合分析。对分支式和一体式喷头分别导入到有限元分析软件,再分别进行网格划分与优化。网格质量的好坏对有限元分析的结果影响很大,因此对比几种网格划分质量,分支式和一体式喷头都使用四面体主导划分网格。使用瞬态温度分析系统与结构静力学分析系统结合,把前者的求解结果作为后者的输入参数,对喷头进行热力耦合分析,根据求解结果找出两种喷头的优缺点,进行优化设计。分支式喷头结构设计较为合理,加热以及散热性能良好,但是熔融流道没有混合腔,不同色彩的耗材无法混合,导致混色打印效果不好。一体式喷头的结构设计较为复杂,熔融流道呈L型设计不太合理,喷头容易堵塞,但是它具有一定大小的混合腔,有利于耗材的混合,从而有利于提高混色打印效果。3.根据有限元求解结果,对两种混色喷头进行优化设计。针对分支式喷头设计一个混合腔室,使得耗材充分混合,提升混色打印效果。由于散热器设计不够合理,散热效果不够理想,因此改进散热器为一致直径。加热管露出喷嘴导致外部温度很高,一方面不利于热量的充分利用,另一方面也不利于散热,故缩小加热管尺寸。然后由于一体式加热块中流道呈现L型,不利于丝材进入,温度降低时易造成堵塞,故改进流道造型。热敏电阻温度比加热块的温度略低,不能反映整个加热块以及流道的温度分布,故将热敏电阻从加热块的圆柱侧面位置移至加热块上表面的中心位置。喉管与散热器接触的豁口位置温度依然较高,丝材经过此豁口易受热膨胀造成堵塞,故将喉管的豁口去除。对两款喷头的形变分析,由于温度的差异对喷头的形变的影响只有层厚的一半,对打印效果影响不大。4.通过对改进后的喷头进行有限元热力耦合分析,以及使用两种喷头进行打印试验验证优化的合理性。两种喷头的不足基本已经解决。使用改进后的混色喷头进行打印试验,均对混色打印的效果以及质量有所提升。本文主要对两种多挤出机单喷头打印进行了热力耦合场对比分析研究,对比求解结果,对其不足进行优化设计。基本解决打印过程中的喷头结构不合理、混色质量不高、打印精度差、喷头易堵塞等问题。本研究结果对基于FDM技术的混色3D打印机的喷头设计具有重要的参考价值。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP334.8
【部分图文】：

图 2.1 3D 打印基本流程增材制造技术（Additive Manufacturing，AM），俗称 3D 打印技术，是一种高速发展成到制造业以及我们日常生活中的技术，在不同的领域都颇受追捧，也有不同的名称速成型技术[14]（Rapid Prototyping，RP）、分层制造技术（Layered Manufacturing，L体自由制造技术（Solid Free Fabrication，SFF）等[15]。3D 打印是直接通过计算机复制现三维设计，并且不需要任何特定的零件工具或模具的一种成型方法。在这个逐层制程中，打印物体是在 X-Y 平面上逐层打印，在 Z 轴或者第三维度逐层叠加而成[16]。和制造技术有着本质的不同，传统制造技术在制造过程中往往伴随着材料的损失，实际材制造，就是往往通过一块原始材料，对其进行“雕琢”，直到最后加工成我们所希望或物品。传统制造技术与 3D 打印技术相比存在诸多不足：一是材料浪费。对材料做“，进行大量的切削加工，大部分材料都要被切削浪费掉。二是很难实现个性化定制。传造方式每一个步骤都会产生成本，通过批量生产和大规模制造，这些成本被分摊到各上，从而价格可以令人们接受，因此大批量制造是传统制造业的特点，和个性化是互的，这也是先天的缺陷[17]。三是对创新和创意的限制。

图 2.2 SLA 技术原理、打印机和打印实物粉末粘接技术（Three-Dimensional Printing，3DP）：又被称为“三维种 3D 打印技术，也是世界上最早的全彩色 3D 打印机。3DP 打印原非常类似，首先滚筒需要铺一层粉末材料，其次通过喷嘴喷射粘合料通过粘合剂的粘接形成零件的一层，一直重复以上操作最终打印为粉末材料，需要粉末材料具有成型性好、成型强度高、粉末颗粒26]，能够用来打印的材料包括淀粉、石膏粉末、陶瓷粉末、热塑材

图 2.2 SLA 技术原理、打印机和打印实物末粘接技术（Three-Dimensional Printing，3DP）：又被称为“三 3D 打印技术，也是世界上最早的全彩色 3D 打印机。3DP 打印原常类似，首先滚筒需要铺一层粉末材料，其次通过喷嘴喷射粘合通过粘合剂的粘接形成零件的一层，一直重复以上操作最终打印粉末材料，需要粉末材料具有成型性好、成型强度高、粉末颗粒6]，能够用来打印的材料包括淀粉、石膏粉末、陶瓷粉末、热塑材
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 陈鹏;刘焱;刘文祥;;基于FDM的滑槽式硬币清分机设计[J];机械设计;2016年11期

2 高艳芳;豆贺;佟晗;高瑞林;李小海;;新型FDM快速成型机的样机调试[J];佳木斯大学学报(自然科学版);2017年04期

3 张捷;顾海;李彬;袁祖强;姜杰;;FDM工艺零件翘曲变形分析及实验研究[J];制造业自动化;2017年08期

4 叶园;陈晓航;;基于FDM的汽车维修工具3D打印技术研究[J];山东工业技术;2016年19期

5 朱利松,叶春生,黄树槐;FDM快速成形系统的控制系统研究[J];机床与液压;2005年01期

6 许永江;蔡林林;;FDM网路监测系统[J];军事通信技术;1988年02期

7 赵祎;谭栓斌;;基于树莓派的FDM快速成形机控制系统[J];机电一体化;2016年10期

8 张洪;;陶瓷FDM快速成形技术的应用[J];佛山陶瓷;2008年08期

9 杨峰;沈晓红;;FDM快速成型技术及与反求工程的结合应用[J];北京工商大学学报(自然科学版);2006年01期

10 任翀;黄江;菅宸龙;;FDM工艺快速成型喷头内熔体的分析研究[J];机械研究与应用;2014年01期

相关博士学位论文 前1条

1 赵坤阳;基于FDM的地下开采诱发岩层力学行为动态模拟方法研究[D];中国地质大学(北京);2018年

相关硕士学位论文 前10条

1 陆亮亮;基于FDM技术的混色3D打印机喷头研究[D];杭州电子科技大学;2018年

2 李荣;FDM型3D打印机混联式执行机构的设计与研究[D];广西大学;2018年

3 刘峰;FDM成型关键装备及工艺实验研究[D];青岛科技大学;2017年

4 李振;适用于FDM的聚碳酸酯材料研究[D];上海材料研究所;2017年

5 曾善文;基于FDM的扫描路径分析与研究[D];西南交通大学;2017年

6 魏辉;FDM成型质量及支撑策略的研究[D];浙江工业大学;2016年

7 陈之佳;FDM快速成形中若干关键技术研究[D];华中科技大学;2004年

8 张衍林;露天转地下开采诱发边坡变形破坏FDM自适应预测[D];中国地质大学(北京);2016年

9 赵冲;基于FDM工艺的3D打印机机械系统设计制造研究[D];华北电力大学;2017年

10 何佳;用混合网格FDM分析复杂截面波导电磁波问题[D];云南师范大学;2009年

本文编号：2850355