3D打印设备散热片结构热分析与优化设计

发布时间：2017-10-23 09:00

  本文关键词：3D打印设备散热片结构热分析与优化设计

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【摘要】：熔融沉积3D成形工艺是目前全世界应用最广泛的快速成形工艺,近几年国内消费级与桌面级FDM打印设备发展非常迅速。主要原因是熔融沉积成形技术已经非常成熟,普及范围大;其次是因为FDM类型打印机制造成本相对低廉,制造门框低。现阶段,国内外大多数FDM类型成形产品在打印过程中经常出现送丝不稳定、出丝不均匀等现象,导致打印质量明显下降。因此,研究分析导丝、熔融等机构对熔材挤出驱动力的影响,对提高FDM打印机的打印速度和打印稳定性具有重要的意义。熔材挤出过程的完成需要经过导丝机构、加热系统、喷嘴系统完成,其熔材挤出驱动力与这些结构都有密切关联。本文首先对短程送丝FDM打印机的缺陷进行分析研究,设计了一新型自散热短程送丝机构;通过有限元软件HYPERWORKS对其进行了热-结构耦合分析,验证设计的可行性。然后,基于正交试验分析方法与有限元试验分析,对设计结构中导丝散热片进行优化设计。通过第一次正交试验,利用方差分析方法对结构尺寸设计因子进行显著性分析,并对优化结果进行了验证;在第一次正交分析基础上,对显著性高的3个尺寸参数进行了3水平的二次正交试验设计,通过极差分析得到一组最优解。最后,利用三维CAD软件对结构尺寸参数进行建模,导入有限元软件进行传热分析,分析了送丝管温度分布,在保证散热性能下散热结构空间尺寸与体积明显减小。通过与最初设计模型对比,优化后体积下降1/4,空间所占总体积下降1/3以上,因此本文的研究对散热片结构尺寸设计与优化提供理论基础,并具有为3D打印设备喷头散热结构设计有一定的指导意义。
【关键词】：FDM 导丝机构 热设计 正交试验 方差分析 极差分析 优化设计
【学位授予单位】：广西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP334.8
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 引言9
• 1.2 3D打印技术概述9-11
• 1.2.1 打印技术的发展9-10
• 1.2.2 快速成型技术的分类10-11
• 1.3 FDM快速成形技术11-13
• 1.3.1 国内外FDM研究现状11-12
• 1.3.2 FDM快速成形技术加热挤出喷头装置12-13
• 1.3.3 FDM快速成形技术特点13
• 1.4 本文研究内容及意义13-14
• 1.5 本文结构14-15
• 第二章 加热挤出喷头散热装置设计15-28
• 2.1 热设计理论15-22
• 2.1.1 热传导导热基础16-19
• 2.1.2 对流换热基础19-21
• 2.1.3 辐射传热基础21-22
• 2.2 加热挤出喷头装置热设计基本要求22-24
• 2.3 FDM打印设备加热挤出机构的设计24-27
• 2.3.1 冷却方式的选择24
• 2.3.2 自然对流冷却基本理论24-25
• 2.3.3 自然对流流态判据Ra准数25
• 2.3.4 计算散热翘片传热效率相关假设25-26
• 2.3.5 导丝喷头装置结构26-27
• 2.4 小结27-28
• 第三章 加热挤出喷头装置热分析28-35
• 3.1 热分析有限元基本理论28-29
• 3.1.1 线性稳态热分析理论28-29
• 3.1.2 线性瞬态热分析理论29
• 3.2 打印喷头有限元模型的建立29-30
• 3.3 3D打印机喷头热源和边界条件计算；30-31
• 3.4 3D打印机喷头散热机构热特性有限元仿真分析；31-34
• 3.4.1 挤出喷头散热装置有限元模型的建立31
• 3.4.2 挤出喷头散热装置热分析边界条件及载荷的加载31-33
• 3.4.3 挤出喷头散热装置结构有限元结构及分析33-34
• 3.5 小结34-35
• 第四章 加热喷头装置散热片结构优化模型的建立35-44
• 4.1 前言35
• 4.2 定义评价指标及优化模型目标函数的的建立35-37
• 4.2.1 评价指标的定义36
• 4.2.2 优化模型的建立36-37
• 4.2.3 目标函数的构建37
• 4.3 设计变量的选取37-43
• 4.3.1 散热片片数38-39
• 4.3.2 散热片翘片厚度39-40
• 4.3.3 散热片底座厚度40-41
• 4.3.4 散热片翘片间间隔41-42
• 4.3.5 散热片高度42-43
• 4.4 小结43-44
• 第五章 基于正交试验的散热片结构优化44-59
• 5.1 正交试验方法的提出44-45
• 5.2 用正交表安排试验的基本理论45-50
• 5.2.1 评价指标、因素和水平45
• 5.2.2 正交表的使用45-46
• 5.2.3 正交试验结果分析46-50
• 5.3 试验算例50-58
• 5.3.1 试验指标50
• 5.3.2 制定因素水平表50-51
• 5.3.3 利用正交试验表确定试验方案51-52
• 5.3.4 试验结果分析52-56
• 5.3.5 优化分析56-58
• 5.4 小结58-59
• 第六章 总结与展望59-61
• 参考文献61-64
• 发布论文和参加科研情况说明64-65
• 致谢65

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