熔融沉积成型喷头装置仿真分析
发布时间：2021-01-08 11:22
增材制造作为“第三次工业革命”中最具有代表性的技术,引发了产业链的升级,推动了国民经济的发展。而熔融沉积成型技术是增材制造工艺中应用最为广泛的技术之一,在该技术中喷头装置是核心部件,喷头装置的工作性能显著地影响产品的成型精度和效率。本课题对熔融沉积成型喷头内的熔体流动特性进行了仿真模拟和对整体喷头装置结构进行了流-热-固耦合分析,根据仿真计算的结果对喷头装置的结构制造材料进行了组合优化,并提出对喷头装置结构改进的方案。该论文的研究成果如下:（1）基于熔融沉积成型技术原理和喷头装置的结构,建立了喷头装置的三维模型,并对喷头模型进行了适当的简化;再利用有限元软件对该模型进行网格划分、边界条件以及材料参数值的设置;最后根据ABS材料的特性用UDF（User-Defined Function）语言开发了相应的材料黏度模型。（2）采用有限元软件对喷头装置流道内的熔体流动进行仿真计算,获得了熔体的温度场、压力场、速度场在流道内变化的规律,并分析了不同进丝速度、不同加热温度以及不同流道结构参数值对熔体流动特性的影响。（3）利用有限元软件对整体喷头装置进行流-热-固耦合仿真模拟,即将熔体流动的结果和喷...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
喷头简化模型
2喷头工作原理及模型建立15图2-7喷头装置的网格划分Fig.2-7Meshgenerationofsprinklersystem2.2.3ABS材料模型建立在FDM喷头装置打印过程中，会涉及到固体ABS材料受热发生相变软化的过程。因此，建立精确的ABS材料流动模型，能够准确表现熔体流动情况，有利于对喷头装置的分析与改进提供参考。ABS材料在流道流动过程中不仅承受着熔融材料之间的剪切作用和未熔材料对其的挤压，还伴随着材料本身的体积收缩和玻璃化转变的可能性，其成型过程是十分复杂。建立熔体黏度与压力、温度、剪切速率等因素之间的关系对于模型求解计算非常关键。ABS塑料属于热固性材料，一般会考虑采用Cross黏度模型。Cross模型有两种，一种是Cross-Exp黏度模型，另一种是Cross-WLF黏度模型，这两种模型都考虑了压力对黏度的影响，属于压力敏感性模型[41]。并且这两种模型有效避免了幂率模型的缺陷，不仅可以清晰地表达出高剪切速率时材料熔体流变行为，而且可以描述熔体流动接近零剪切速率时的牛顿流变行为。因此，本论文采用的是Cross-WLF黏度模型，具体的公式如（2-1）~（2-4）所示[42-43]。010,,,1nTPTP（2-1）式中：——剪切黏度/Pa·s；0——零剪切黏度/Pa·s；T——温度/℃；——剪切速率/s-1；P——压力/Pa；——剪切应力/Pa；n——非牛顿指数。
西安理工大学硕士学位论文22其数值为0.45%。结果表明，模拟数据和实验打印出产品结果的误差值是控制在10%以内。因此，认为本文所构建的模型可以很好地模拟ABS熔融体流动特性，其仿真计算方法是可行的，结果值是合理、值得可信的。打印的产品微量天平图3-1实验产品及仪器Fig.3-1Experimentalproductsandinstruments表3-1数值模拟和实验的质量流量对比Tab.3-1Numericalsimulationandexperimentalmassflowcomparison模拟出丝速度，mm/s实际打印产品质量，g理论计算产品质量，g误差值，%19.52.222.210.4518.82.172.122.3017.92.102.033.3317.32.061.964.8516.82.011.905.4716.21.951.845.6415.51.901.795.7914.71.791.676.7014.11.691.605.3213.31.601.515.623.3熔体流动仿真模拟分析在fluent软件中仿真模拟了熔体流动的特性，其ABS材料在流道中流动的稳态温度分布云图如图3-2所示。图中数值较低的区域呈现蓝色，数值较高的区域呈现红色。从图3-2中可知，ABS材料温度范围由25℃变化至240℃，当材料处于熔化阶段时，水平截面的ABS材料温度由内部中心向外逐渐升高，轴向截面ABS材料温度呈阶梯式上升，其温度等温线逐渐近似“V”型。这是由于ABS材料在流道流动中具有一定的速度，但是材料自身的导热系数很低，外部施加的热量不能及时迅速地传递到材料的内部当中，这才会引起材料在同一水平位置处内部中心点的温度值低于外侧温度值。并且当ABS材料流至喷
【参考文献】：
期刊论文
[1]熔融沉积成型喷头系统的研究进展[J]. 吴彦之,侯和平,徐卓飞,刘善慧. 中国塑料. 2019(09)
[2]基于Fluent的FDM 3D打印机喷头分析与结构优化[J]. 李卫飞,王贤琳,陈梦雪,罗刚,刘炳余. 机床与液压. 2019(16)
[3]高温FDM喷头的有限元建模及温度场仿真[J]. 何昱煜,程军,刘益剑,杨继全,朱小刚,刘正武,乔凤斌. 塑料. 2019(02)
[4]FDM 3D打印机喷嘴流场分析与结构优化[J]. 高强,周敏,朱黎立,段现银. 组合机床与自动化加工技术. 2018(11)
[5]FDM 3D打印机喷头温度场分析与结构优化[J]. 朱黎立,周敏,高强,段现银. 组合机床与自动化加工技术. 2018(08)
[6]FDM型3D打印机喷头温度场仿真[J]. 吕蒙,牛晨旭,杨辰飞. 机械. 2018(07)
[7]熔融沉积式3D打印机喷头结构及常见问题分析[J]. 李吉康. 南方农机. 2018(13)
[8]含能材料3D打印机喷嘴参数对挤出速度的影响[J]. 丁骁垚,樊黎霞,陆星宇. 机械设计与制造. 2018(06)
[9]一种基于FDM-3D打印机改进喷嘴的流-固耦合模拟分析[J]. 王占礼,高山山,陈延伟,任元. 制造业自动化. 2018(03)
[10]FDM型3D打印机喷头优化设计[J]. 闵畅,李锦,沈新明,刘佳丽,刘洋. 黑龙江科学. 2017(21)
硕士论文
[1]柔印机中心滚筒力学性能分析及结构优化研究[D]. 邓瑞.西安理工大学 2019
[2]液粘传动摩擦副流固热耦合分析及起动过程流场特性研究[D]. 马灵童.中国矿业大学 2019
[3]蓄热式VOCs处理设备的流场分析与性能研究[D]. 刘洁.西安理工大学 2018
[4]基于流固热多场耦合的高温熔盐泵优化设计和结构可靠性研究[D]. 董亚光.江苏大学 2018
[5]基于木塑挤出3D成型的结构优化与传热模拟分析[D]. 王晓峰.青岛科技大学 2017
[6]浅水间断问题的水流泥沙及污染物输运数值模拟[D]. 许媛媛.大连海洋大学 2016
[7]FDM挤出头CFD分析与混色挤出头优化设计[D]. 王世博.哈尔滨工业大学 2016
[8]FDM加热块改进及温度影响成型件性能的研究[D]. 齐元磊.烟台大学 2016
[9]高温挤出机构传热特性及其结构优化研究[D]. 杨菊山.重庆大学 2016
[10]3D打印设备散热片结构热分析与优化设计[D]. 汪铁丰.广西科技大学 2015
本文编号：2964507
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
喷头简化模型
2喷头工作原理及模型建立15图2-7喷头装置的网格划分Fig.2-7Meshgenerationofsprinklersystem2.2.3ABS材料模型建立在FDM喷头装置打印过程中，会涉及到固体ABS材料受热发生相变软化的过程。因此，建立精确的ABS材料流动模型，能够准确表现熔体流动情况，有利于对喷头装置的分析与改进提供参考。ABS材料在流道流动过程中不仅承受着熔融材料之间的剪切作用和未熔材料对其的挤压，还伴随着材料本身的体积收缩和玻璃化转变的可能性，其成型过程是十分复杂。建立熔体黏度与压力、温度、剪切速率等因素之间的关系对于模型求解计算非常关键。ABS塑料属于热固性材料，一般会考虑采用Cross黏度模型。Cross模型有两种，一种是Cross-Exp黏度模型，另一种是Cross-WLF黏度模型，这两种模型都考虑了压力对黏度的影响，属于压力敏感性模型[41]。并且这两种模型有效避免了幂率模型的缺陷，不仅可以清晰地表达出高剪切速率时材料熔体流变行为，而且可以描述熔体流动接近零剪切速率时的牛顿流变行为。因此，本论文采用的是Cross-WLF黏度模型，具体的公式如（2-1）~（2-4）所示[42-43]。010,,,1nTPTP（2-1）式中：——剪切黏度/Pa·s；0——零剪切黏度/Pa·s；T——温度/℃；——剪切速率/s-1；P——压力/Pa；——剪切应力/Pa；n——非牛顿指数。
西安理工大学硕士学位论文22其数值为0.45%。结果表明，模拟数据和实验打印出产品结果的误差值是控制在10%以内。因此，认为本文所构建的模型可以很好地模拟ABS熔融体流动特性，其仿真计算方法是可行的，结果值是合理、值得可信的。打印的产品微量天平图3-1实验产品及仪器Fig.3-1Experimentalproductsandinstruments表3-1数值模拟和实验的质量流量对比Tab.3-1Numericalsimulationandexperimentalmassflowcomparison模拟出丝速度，mm/s实际打印产品质量，g理论计算产品质量，g误差值，%19.52.222.210.4518.82.172.122.3017.92.102.033.3317.32.061.964.8516.82.011.905.4716.21.951.845.6415.51.901.795.7914.71.791.676.7014.11.691.605.3213.31.601.515.623.3熔体流动仿真模拟分析在fluent软件中仿真模拟了熔体流动的特性，其ABS材料在流道中流动的稳态温度分布云图如图3-2所示。图中数值较低的区域呈现蓝色，数值较高的区域呈现红色。从图3-2中可知，ABS材料温度范围由25℃变化至240℃，当材料处于熔化阶段时，水平截面的ABS材料温度由内部中心向外逐渐升高，轴向截面ABS材料温度呈阶梯式上升，其温度等温线逐渐近似“V”型。这是由于ABS材料在流道流动中具有一定的速度，但是材料自身的导热系数很低，外部施加的热量不能及时迅速地传递到材料的内部当中，这才会引起材料在同一水平位置处内部中心点的温度值低于外侧温度值。并且当ABS材料流至喷
【参考文献】：
期刊论文
[1]熔融沉积成型喷头系统的研究进展[J]. 吴彦之,侯和平,徐卓飞,刘善慧. 中国塑料. 2019(09)
[2]基于Fluent的FDM 3D打印机喷头分析与结构优化[J]. 李卫飞,王贤琳,陈梦雪,罗刚,刘炳余. 机床与液压. 2019(16)
[3]高温FDM喷头的有限元建模及温度场仿真[J]. 何昱煜,程军,刘益剑,杨继全,朱小刚,刘正武,乔凤斌. 塑料. 2019(02)
[4]FDM 3D打印机喷嘴流场分析与结构优化[J]. 高强,周敏,朱黎立,段现银. 组合机床与自动化加工技术. 2018(11)
[5]FDM 3D打印机喷头温度场分析与结构优化[J]. 朱黎立,周敏,高强,段现银. 组合机床与自动化加工技术. 2018(08)
[6]FDM型3D打印机喷头温度场仿真[J]. 吕蒙,牛晨旭,杨辰飞. 机械. 2018(07)
[7]熔融沉积式3D打印机喷头结构及常见问题分析[J]. 李吉康. 南方农机. 2018(13)
[8]含能材料3D打印机喷嘴参数对挤出速度的影响[J]. 丁骁垚,樊黎霞,陆星宇. 机械设计与制造. 2018(06)
[9]一种基于FDM-3D打印机改进喷嘴的流-固耦合模拟分析[J]. 王占礼,高山山,陈延伟,任元. 制造业自动化. 2018(03)
[10]FDM型3D打印机喷头优化设计[J]. 闵畅,李锦,沈新明,刘佳丽,刘洋. 黑龙江科学. 2017(21)
硕士论文
[1]柔印机中心滚筒力学性能分析及结构优化研究[D]. 邓瑞.西安理工大学 2019
[2]液粘传动摩擦副流固热耦合分析及起动过程流场特性研究[D]. 马灵童.中国矿业大学 2019
[3]蓄热式VOCs处理设备的流场分析与性能研究[D]. 刘洁.西安理工大学 2018
[4]基于流固热多场耦合的高温熔盐泵优化设计和结构可靠性研究[D]. 董亚光.江苏大学 2018
[5]基于木塑挤出3D成型的结构优化与传热模拟分析[D]. 王晓峰.青岛科技大学 2017
[6]浅水间断问题的水流泥沙及污染物输运数值模拟[D]. 许媛媛.大连海洋大学 2016
[7]FDM挤出头CFD分析与混色挤出头优化设计[D]. 王世博.哈尔滨工业大学 2016
[8]FDM加热块改进及温度影响成型件性能的研究[D]. 齐元磊.烟台大学 2016
[9]高温挤出机构传热特性及其结构优化研究[D]. 杨菊山.重庆大学 2016
[10]3D打印设备散热片结构热分析与优化设计[D]. 汪铁丰.广西科技大学 2015
本文编号：2964507
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