3D打印挤出机热力学分析及结构优化设计

发布时间：2017-10-10 09:14

  本文关键词：3D打印挤出机热力学分析及结构优化设计

  更多相关文章： FDM打印喷头 打印误差 顺畅吐丝 相变 优化设计

【摘要】：3D打印(3D Printing)技术作为快速成型领域的一种新兴技术,其熔融沉积式快速成型技术(Fused Deposition Modeling,FDM)是3D打印制造工艺的一种主要形式,它的工艺以其高度的制造柔性、制件结构复杂性和市场需求适应性成为未来应用最为广泛的增材制造快速成型技术之一,在快速成型制造业和快速模具方面发挥着重要作用。FDM-3D打印挤出机(以下简称喷头)是3D增材打印技术中的关键部件,本文针对FDM-3D打印喷头在打印过程中存在的热结构不合理引起的堵丝和打印精度差等问题展开理论分析研究,采用热力学和流体热力学有限元模拟分析方法,探索由喷头造成的打印精度差、丝料在喷头内熔化相变不稳定引起堵丝等的原因,最后优化设计喷头结构,加工制造喷头并做打印实验,为3D打印技术产业化提供技术理论支持。主要研究工作总结如下:1)通过研究熔融沉积式3D打印喷头结构与原理介绍了3D打印喷头的类别,在此基础上研究了喷头的结构组成,将喷头结构按照功能划分区域,构建出熔融沉积式3D打印喷头的定位区、进给区、熔丝区和增材区的区域组成,再根据喷丝原理,确定了本文的研究目标和所需要研究的工艺参数对象。2)喷头喷丝过程中进丝机理的研究。借助有限元中的THERMAL模块与FULID CFD模块辅助分析ABS丝料在喷头通道挤出时的流体热力学性质,模拟材料在通道中挤出过程中的温度场、速度场、压力场以及相变过程,总结数据得出如何让喷头顺畅吐丝的控制过程与所需温度条件和压力条件。3)基于有限元的3D打印喷头打印精度分析。通过对目前市场上两种熔融沉积式3D打印喷头的三维建模和热力学仿真分析,得出影响打印精度的敏感部位和热布局对材料变形量如何影响。为针对打印喷头打印精度的优化设计方案做出理论铺垫。4)熔融沉积式3D打印喷头的结构优化设计。针对熔融沉积式3D打印喷头容易堵丝和打印精度两大关键技术,通过上文对保障喷头挤出熔融材料时所需特定压力、速度、温度与控制的关系研究以及喷头结构的影响,提出优化设计方案;在此基础上研究了与挤出压力有关的导轮之间摩擦力的大小计算,并且重新设计了送丝导轮机构。最后,对优化后的喷头与未优化的喷头做总热变形和温度分布仿真对比。5)产品设计定型并做打印试验,打印产品展示,根据打印试验进一步优化。
【关键词】：FDM打印喷头 打印误差 顺畅吐丝 相变 优化设计
【学位授予单位】：西安工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.73
【目录】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-19
• 1.1 概述11-13
• 1.1.1 课题来源11
• 1.1.2 课题背景和研究意义11-12
• 1.1.3 3D打印技术的分类与技术特点12-13
• 1.2 国内外相关研究概述13-15
• 1.3 论文主要工作及章节安排15-17
• 1.3.1 论文主要工作15-16
• 1.3.2 论文章节安排16-17
• 1.4 本章小结17-19
• 2 熔融沉积式 3D打印喷头结构与原理研究19-25
• 2.1 概述19
• 2.2 熔融沉积式 3D打印喷头的基本概念19-22
• 2.2.1 熔融沉积式 3D打印技术原理19-20
• 2.2.2 熔融沉积式打印喷头打印特性分析20-22
• 2.3 熔融沉积式 3D打印喷头的结构组成22-23
• 2.4 影响喷头喷丝质量的工艺参数分析23-24
• 2.5 本章小结24-25
• 3 喷头喷丝过程中进丝机理研究25-43
• 3.1 概述25
• 3.2 ABS材料熔融过程的三种状态与属性25-26
• 3.3 熔融沉积式 3D 打印喷头喷丝过程中材料的相变分析26-35
• 3.3.1 相变分析理论知识研究26-28
• 3.3.2 丝料在喷头通道中的相变过程28-34
• 3.3.3 数据分析与总结34-35
• 3.4 喷头喷丝过程中丝料与喉管的热耦合分析35-40
• 3.4.1 喷头喷丝模拟环境参数的设计35-37
• 3.4.2 喷头喷丝过程中热场与结构场的耦合分析37-40
• 3.4.3 数据分析与数据总结40
• 3.5 基于有限元各模拟数据结果提出顺畅吐丝实现方案40-41
• 3.6 本章小结41-43
• 4 温度分布对喷头打印精度的分析研究43-51
• 4.1 概述43
• 4.2 两种传统熔融沉积式喷头的三维结构建模43-44
• 4.3 材料热变形分析仿真实验44-45
• 4.3.1 实验目的44-45
• 4.3.2 基于有限元的金属材料热变形分析仿真实验45
• 4.3.3 总结实验数据得出结论45
• 4.4 基于有限元的喷头热力学变形分析45-50
• 4.4.1 熔融沉积式 3D打印喷头打印误差敏感方向的定义45-47
• 4.4.2 熔融沉积式 3D喷头结构整体的热力学变形有限元分析47-48
• 4.4.3 总结仿真分析数据48-49
• 4.4.4 影响熔融沉积式 3D打印喷头打印精度的关键因素49-50
• 4.5 本章小结50-51
• 5 熔融沉积式 3D打印喷头的结构优化设计51-59
• 5.1 概述51
• 5.2 基于分析结果的优化设计方案51-54
• 5.2.1 喷头部件整体布局的设计51-52
• 5.2.2 送丝导论机构的优化设计52-54
• 5.3 设计的喷头与传统的喷头热变形对比54-57
• 5.3.1 关键零部件热变形数据对比54-56
• 5.3.2 设计的打印喷头与打印实物展示56-57
• 5.4 本章小结57-59
• 6 结论与展望59-61
• 6.1 结论59-60
• 6.2 展望60-61
• 参考文献61-65
• 攻读学位期间发表文章65-66
• 致谢66

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本文编号：1005534