熔融沉积快速成型精度研究及其成型过程数值模拟

发布时间：2017-08-29 04:06

  本文关键词：熔融沉积快速成型精度研究及其成型过程数值模拟

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【摘要】：熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)是一种近几十年来得到迅速发展的快速成型制造技术。因其在成型过程中不需要激光、成型材料广泛且占地面积小等而被广泛应用于产品开发、快速模具制作、医疗器械的设计开发及人体器官的原型制作,代表着快速成型制造技术的一个重要发展方向,但是,成型件的精度作为一个关键因素限制了熔融沉积成型的发展。因此,本文拟从熔融沉积成型的工艺参数出发,对其原型精度进行实验研究,并采用大型有限元分析软件ANSYS中的“单元生死”技术,模拟熔融沉积成型过程的温度场和应力场,以期得到工艺参数对成型精度的影响。 分析总结了熔融沉积成型产品容易产生的缺陷及精度的影响因素,它们分别是成型系统导致的误差、CAD模型离散化导致的误差、分层厚度引起的误差、喷丝宽度引起的误差和材料的收缩引起的误差等,并对原型制件表面质量及翘曲变形做了实验探究,得出其影响因素及影响规律。 研究了熔融沉积成型温度场有限元数值模拟技术,在考虑了熔融沉积成型本身特点的基础上,进行了合理的假设,建立了熔融沉积成型过程温度场的分析模型,模拟得出各点温度随时间变化、温度梯度及不同扫描速度及扫描路径对温度场的影响。 采用热-结构耦合,以温度场的分析结果作为初始条件,施加到应力场分析中,进行了熔融沉积成型过程应力场及应变场的模拟,得出了不同扫描路径及扫描速度下应力应变场的分布,并对相同路径不同扫描速度下应力应变场及相同扫描速度下不同扫描路径应力应变场进行了比较,分析给出了扫描路径与扫描速度对应力应变场及变形量的影响规律。 本文关于熔融沉积成型工艺参数对表面质量及翘曲变形的实验研究及成型过程中工艺参数对温度场、应力应变场及其变形量的数值模拟研究,为实现熔融沉积成型精度及质量控制提供了重要参考。
【关键词】：熔融沉积成型 成型精度 温度场模拟 应力应变场模拟
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH16
【目录】：

• 摘要10-11
• ABSTRACT11-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 引言13
• 1.2 快速原型技术概述13-16
• 1.2.1 快速原型技术简介13-15
• 1.2.2 快速成型技术的主要应用15-16
• 1.3 熔融沉积快速成型工艺简介16-19
• 1.3.1 熔融沉积快速成型工艺的工作原理16
• 1.3.2 熔融沉积快速成型工艺的工艺特点16-17
• 1.3.3 熔融沉积快速成型的工艺过程17-19
• 1.4 熔融沉积快速成型技术的研究现状及主要问题19-21
• 1.4.1 熔融沉积快速成型技术的国内外研究现状19-21
• 1.4.2 熔融沉积快速成型技术存在的主要问题21
• 1.5 课题研究的主要内容21-23
• 第二章 熔融沉积快速成型零件精度分析23-31
• 2.1 引言23
• 2.2 制件可能出现的缺陷23-25
• 2.2.1 表面缺陷23-24
• 2.2.2 内部缺陷24-25
• 2.3 影响熔融沉积快速成型制件精度的因素25-30
• 2.3.1 成型系统导致的误差25
• 2.3.2 CAD模型离散化过程中的精度损失25-26
• 2.3.3 材料收缩引起的尺寸误差26-27
• 2.3.4 分层厚度的影响27-29
• 2.3.5 喷头温度和成型室温度的影响29
• 2.3.6 喷丝宽度的影响29
• 2.3.7 填充速度和挤出速度交互的影响29-30
• 2.3.8 后处理过程中导致的误差30
• 2.4 小结30-31
• 第三章 熔融沉积快速成型精度的实验研究31-45
• 3.1 引言31-32
• 3.2 熔融沉积快速成型制件表面质量实验研究32-38
• 3.2.1 试样设计及制作32-34
• 3.2.2 数据处理34-38
• 3.3 熔融沉积快速成型制件翘曲变形实验研究38-44
• 3.3.1 翘曲变形的成因38
• 3.3.2 翘曲变形的表征38-39
• 3.3.3 翘曲变形的实验研究39-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 熔融沉积成型过程温度场的模拟研究45-59
• 4.1 ANSYS有限元软件简介45-46
• 4.2 生死单元技术46
• 4.3 熔融沉积成型有限元分析特点46-47
• 4.4 熔融堆积成形过程温度场的模拟47-52
• 4.4.1 单元类型的选取47-48
• 4.4.2 热分析介绍48-49
• 4.4.3 相变潜热的处理49-50
• 4.4.4 算法设计50
• 4.4.5 有限元模型的建立50-52
• 4.5 熔融堆积成型过程温度场的模拟结果分析52-58
• 4.5.1 熔融堆积成型过程中各节点的温度随时间变化分析52-54
• 4.5.2 熔融沉积成型过程中某时刻的温度梯度分布特征54-56
• 4.5.3 不同扫描速度对温度场的影响56-57
• 4.5.4 不同扫描路径对温度场的影响57-58
• 4.6 本章小结58-59
• 第五章 熔融堆积成型过程应力应变场的模拟研究59-73
• 5.1 应力场模拟遵循的基本理论59
• 5.2 ANSYS中的热-力耦合分析59-60
• 5.3 转换分析单元类型、定义相应的材料特性参数60-61
• 5.4 约束的施加61
• 5.5 算法的设计61-62
• 5.6 熔融堆积成型应力场的模拟结果分析62-67
• 5.6.1 相同扫描路径及扫描速度下应力场的比较62-65
• 5.6.2 相同路径不同扫描速度下应力场的比较65-66
• 5.6.3 不同扫描路径的应力场的比较66-67
• 5.7 熔融堆积成型应变场的模拟结果分析67-70
• 5.7.1 不同扫描速度下应变场的比较68-69
• 5.7.2 不同扫描路径下应变场的比较69-70
• 5.8 本章小结70-73
• 第六章 结论与展望73-75
• 6.1 结论73
• 6.2 展望73-75
• 参考文献75-79
• 附录79-85
• 温度场模拟程序79-83
• 应力场模拟程序83-85
• 致谢85-86
• 附件86

【参考文献】

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本文编号：751203