熔融沉积成型零件尺寸误差形成机理与补偿方法研究
发布时间：2020-12-05 00:40
熔融沉积成型(FDM)技术以设备简单、成本低廉、成型速度快、成型材料广泛等优势而被广泛应用于汽车、医疗、建筑、娱乐、电子和教育等领域的概念建模、功能性原型制作、制造加工、最终用于零件制造和修整等。但是由打印材料热胀冷缩而产生的制件尺寸变化严重影响着制件的成型精度。本文针对筒形件在FDM成型过程中产生的尺寸收缩问题,以数值仿真为研究手段,从FDM成型过程的温度场与应力场入手,揭示了成型及冷却过程中筒形件的尺寸收缩规律及机理,并研究了不同工艺参数对筒形件尺寸收缩的影响,建立了筒形件的尺寸误差补偿数学模型,为提高筒形件的成型精度提供指导依据。本文首先根据FDM成型过程熔融丝材动态叠加以及温度场、应力场变化复杂的工艺特点,对成型过程做出了合理假设,根据热力仿真分析基本理论,建立了 FDM成型过程热力耦合仿真模型,应用APDL语言和生死单元技术,设定了喷头扫描路径、初始条件和对流换热边界条件的动态加载方式,完成了热力耦合仿真分析的算法设计。基于APDL命令流,完成了对筒形件FDM成型以及冷却过程的热力耦合仿真,分析了温度梯度与等效应力的变化,揭示了筒形件尺寸收缩产生的内在机理。仿真结果表明,筒形...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
熔融沉积成型过程工艺基本原理图
西安理工大学硕士学位论文2XOY平面运动，工作台在Z方向移动[13]。丝状热塑性材料（如PLA，ABS）由供丝机构送至喷头加热至熔融态，然后依据扫描路径逐层沉积到工作台上，每完成一层沉积后，工作台下降一层高度，喷头再进行下一层的涂覆，如此反复循环，直至结束整个三维实体的成型[14]。图1-1熔融沉积成型过程工艺基本原理图Fig.1-1Basicprincipleofthefuseddepositionprocess图1-2熔融沉积成型设备工作图Fig.1-2Workingdiagramoffuseddepositionmodelingmachine熔融沉积成型技术之所以能够被广泛应用并得到快速发展，主要得益于它具有以下优点[15]：（1）采用热熔挤压沉积成型,使得整套设备操作简单，自动化程度高，维护成本低,系统运行安全；（2）材料类型丰富多样,包括热塑性塑料丝，如PLA、ABS、PC、尼龙、工程蜡丝等；（3）原材料在成型加工时没有发生化学反应，制品翘曲变形校原材料利用率高且寿命长；（4）成型速度相对较快，无需模具和夹具，几个小时到几十个小时就可制造出零件[16]；（5）成型零件具有优良的综合性能，FDM工艺制作的零件在尺寸稳定性、对环境的适应能力远远超过其他快速成型工艺制作的零件；（6）成型过程对环境无污染，使用的原材料无毒性且不产生异味、粉尘、噪声等污染，适合于办公室环境使用[15]。当然除了以上的优点以外，熔融沉积成型工艺还存在以下不足[17]：（1）受成型空间限制，FDM工艺只能制造中小型工件；（2）成型过程中不可避免的台阶效应，成型零件表面具有明显的纹理[15]；（3）对于厚度较薄的制件或上层较下层截面积大的制件等，则容易发生翘曲和变形等各种缺陷，沿轴向方向的零件强度比较弱；（4）由于所用材料多为聚合塑料，成型过程中经历的相变过程会使得最终的成型件产?
砑拥椒?真模型中。由于底板不是本文的研究重点，以及考虑计算机存储能力和计算效率，将底板尺寸设置为大小15mm×15mm×0.5mm的薄板长方体，网格划分方式选择自由划分。底板单元大小选为0.5mm，划分方式为自由划分。扫描路径选择为从内圈到外圈逐个单元逐层扫描，填充率设置为100%。其他工艺参数设置：室温为25℃、底板温度50℃、喷头温度200℃，对流换热系数为72W/m2·K[46]。FDM成型过程是动态变化的过程，因此约束也在随时发生变化，在进行应力场分析时，本文将几何约束简化为模型底板静态完全约束。有限元模型网格划分如图2-1所示。图2-1熔融沉积成形筒形件的有限元模型Fig.2-1Finiteelementmodeloffuseddepositionmodelingcylindricalparts2.4.5热力耦合分析APDL算法设计APDL（ANSYSParametricDesignLanguage）参数化编程语言，即ANSYS的脚本语言[56]。APDL不仅是优化设计和自适应网格划分等ANSYS经典特性的实现基础，也为日常分析提供了便利。在用ANSYS进行相关有限元模拟计算时，可以将涉及到的所有界面
本文编号：2898544
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
熔融沉积成型过程工艺基本原理图
西安理工大学硕士学位论文2XOY平面运动，工作台在Z方向移动[13]。丝状热塑性材料（如PLA，ABS）由供丝机构送至喷头加热至熔融态，然后依据扫描路径逐层沉积到工作台上，每完成一层沉积后，工作台下降一层高度，喷头再进行下一层的涂覆，如此反复循环，直至结束整个三维实体的成型[14]。图1-1熔融沉积成型过程工艺基本原理图Fig.1-1Basicprincipleofthefuseddepositionprocess图1-2熔融沉积成型设备工作图Fig.1-2Workingdiagramoffuseddepositionmodelingmachine熔融沉积成型技术之所以能够被广泛应用并得到快速发展，主要得益于它具有以下优点[15]：（1）采用热熔挤压沉积成型,使得整套设备操作简单，自动化程度高，维护成本低,系统运行安全；（2）材料类型丰富多样,包括热塑性塑料丝，如PLA、ABS、PC、尼龙、工程蜡丝等；（3）原材料在成型加工时没有发生化学反应，制品翘曲变形校原材料利用率高且寿命长；（4）成型速度相对较快，无需模具和夹具，几个小时到几十个小时就可制造出零件[16]；（5）成型零件具有优良的综合性能，FDM工艺制作的零件在尺寸稳定性、对环境的适应能力远远超过其他快速成型工艺制作的零件；（6）成型过程对环境无污染，使用的原材料无毒性且不产生异味、粉尘、噪声等污染，适合于办公室环境使用[15]。当然除了以上的优点以外，熔融沉积成型工艺还存在以下不足[17]：（1）受成型空间限制，FDM工艺只能制造中小型工件；（2）成型过程中不可避免的台阶效应，成型零件表面具有明显的纹理[15]；（3）对于厚度较薄的制件或上层较下层截面积大的制件等，则容易发生翘曲和变形等各种缺陷，沿轴向方向的零件强度比较弱；（4）由于所用材料多为聚合塑料，成型过程中经历的相变过程会使得最终的成型件产?
砑拥椒?真模型中。由于底板不是本文的研究重点，以及考虑计算机存储能力和计算效率，将底板尺寸设置为大小15mm×15mm×0.5mm的薄板长方体，网格划分方式选择自由划分。底板单元大小选为0.5mm，划分方式为自由划分。扫描路径选择为从内圈到外圈逐个单元逐层扫描，填充率设置为100%。其他工艺参数设置：室温为25℃、底板温度50℃、喷头温度200℃，对流换热系数为72W/m2·K[46]。FDM成型过程是动态变化的过程，因此约束也在随时发生变化，在进行应力场分析时，本文将几何约束简化为模型底板静态完全约束。有限元模型网格划分如图2-1所示。图2-1熔融沉积成形筒形件的有限元模型Fig.2-1Finiteelementmodeloffuseddepositionmodelingcylindricalparts2.4.5热力耦合分析APDL算法设计APDL（ANSYSParametricDesignLanguage）参数化编程语言，即ANSYS的脚本语言[56]。APDL不仅是优化设计和自适应网格划分等ANSYS经典特性的实现基础，也为日常分析提供了便利。在用ANSYS进行相关有限元模拟计算时，可以将涉及到的所有界面
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