本文關(guān)鍵詞：FDM快速成型機的數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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【摘要】：FDM快速成型工藝(Fused Deposition Modeling),又稱熔融沉積造型,它的工作原理是首先將設(shè)計好的三維模型通過切片軟件對其進行切片,將所得數(shù)據(jù)導入到3D打印機中,然后將打印線材(PLA、ABS等)加熱到熔融狀態(tài)后,通過擠壓從噴嘴處將熔融狀態(tài)下的線材擠出成絲狀,接著按照切片所得的截面軌跡逐層打印堆積直至完成。采用FDM快速成型技術(shù)的3D打印機與傳統(tǒng)工藝技術(shù)相比在加工成本、成型件的復雜程度等方面優(yōu)勢明顯,在機械、土木工程、軍事、醫(yī)療等方面也得到廣泛的應用,有著良好的發(fā)展前景和巨大的商業(yè)價值。但由于FDM快速成型技術(shù)屬于多學科相融合的一項技術(shù),涉及機械、電子、材料、軟件等領(lǐng)域的知識。因此,其在研發(fā)的過程中所遇到的問題也是錯綜復雜的,例如噴頭軌跡的規(guī)劃、填充和回抽的算法、運算控制軟件的開發(fā)、打印材料的諸多限制、打印復雜模型時間長、噴嘴結(jié)構(gòu)無法長時間反復工作等問題。因此,本文結(jié)合日常使用中遇到的問題,選擇其中的三種(噴嘴經(jīng)常堵料、打印時間過長、發(fā)生故障時拆卸繁瑣),運用ANSYS Workbench軟件對其中涉及到的溫度場、熱力耦合等問題進行數(shù)值模擬,得到相關(guān)的數(shù)據(jù),最終通過實驗驗證數(shù)值模擬的準確性,主要研究內(nèi)容如下:(1)基于一種新型的噴嘴與舊噴嘴的溫度場對比作為引導,引導出噴嘴溫度場的穩(wěn)定性、溫差的范圍對線材熔融過程的假設(shè),以高斯熱源模型作為噴嘴的熱源,結(jié)合ANSYS Workbench軟件的穩(wěn)態(tài)溫度場分析模塊,對新舊兩種噴嘴的溫度場進行數(shù)值模擬;(2)打印速度能否得到提高的關(guān)鍵取決于最終的成型件是否穩(wěn)定,所以將新噴嘴的打印速度調(diào)整到舊噴嘴打印速度的兩倍,對比其最終打印成型件的溫度場。這一過程依然要借助ANSYS Workbench軟件,但由于成型件的成型過程是逐層打印依次成型的過程,因此常規(guī)方法無法真實的模擬該過程,所以需要借助生死單元技術(shù)和APDL匯編語言來完成;(3)借助成型件溫度場的模擬數(shù)值,可直接對其應力場進行模擬,將成型件的打印起始點Z軸設(shè)定為邊界約束,將所有節(jié)點的溫度依次加載到成型件上,最終完成數(shù)值模擬;(4)新型FDM快速成型機結(jié)構(gòu)的設(shè)計;(5)實驗驗證之前對新舊噴嘴和成型件的溫度場和應力場的數(shù)值模擬的準確性。
【關(guān)鍵詞】：FDM 生死單元技術(shù) 數(shù)值模擬
【學位授予單位】：遼寧科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP334.8
【目錄】：

• 中文摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-23
• 1.1 選題背景及研究意義10-13
• 1.2 基于FDM快速成型工藝的 3D打印機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀13-18
• 1.2.1 FDM快速成型機國外發(fā)展現(xiàn)狀13-16
• 1.2.2 FDM快速成型機國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀16-18
• 1.3 FDM快速成型機原理18-21
• 1.3.1 概念18-19
• 1.3.2 應用原理及流程19-21
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容21-23
• 1.4.1 主要研究的內(nèi)容21-22
• 1.4.2 預期結(jié)果22-23
• 第2章 溫度場熱源模型的建立23-28
• 2.1 FDM快速成型機溫度場分析23
• 2.2 FDM快速成型機溫度場熱傳導方程的建立23-25
• 2.3 熱源模型的建立25-27
• 2.3.1 打印頭熱源模型的建立25-27
• 2.3.2 加熱板熱源模型的建立27
• 2.4 本章小結(jié)27-28
• 第3章 溫度場的數(shù)值模擬28-46
• 3.1 有限元數(shù)值模擬的基本假設(shè)28
• 3.2 材料的物理參數(shù)28-29
• 3.3 新結(jié)構(gòu)噴嘴29-30
• 3.4 掃描方式30-31
• 3.5 新舊噴嘴溫度場的數(shù)值模擬31-40
• 3.5.1 噴嘴溫度場數(shù)值模擬的意義31
• 3.5.2 噴嘴溫度場數(shù)值模擬過程的實現(xiàn)31-36
• 3.5.3 新舊噴嘴溫度場數(shù)值模擬仿真云圖對比36-40
• 3.6 成型件溫度場的數(shù)值模擬40-44
• 3.6.1 成型件溫度場數(shù)值仿真模擬的意義40
• 3.6.2 成型件溫度場數(shù)值模擬過程的實現(xiàn)40-43
• 3.6.3 成型件在新舊噴嘴作用下的溫度場數(shù)值模擬結(jié)果對比43-44
• 3.7 本章小結(jié)44-46
• 第4章 應力場的數(shù)值模擬46-57
• 4.1 熱-力耦合場分析理論46-50
• 4.1.1 熱-力耦合場分析基本理論47-50
• 4.1.2 熱-力耦合場分析基本假設(shè)50
• 4.2 應力場的數(shù)值模擬50-53
• 4.2.1 成型件應力場數(shù)值模擬的實現(xiàn)50-53
• 4.3 成型件應力場對比53-56
• 4.4 本章總結(jié)56-57
• 第5章 實驗驗證與結(jié)構(gòu)優(yōu)化57-66
• 5.1 實驗目的57
• 5.2 實驗參數(shù)與測量57-58
• 5.2.1 實驗參數(shù)57-58
• 5.2.2 噴嘴的測量環(huán)境和測量工具58
• 5.3 驗證及數(shù)據(jù)分析58-62
• 5.3.1 新舊噴嘴仿真結(jié)果驗證與分析58-59
• 5.3.2 新舊噴嘴打印速度對比分析59-61
• 5.3.3 新舊噴嘴成型件應力場仿真與試驗對比分析61-62
• 5.4 新型FDM快速成型機結(jié)構(gòu)62-64
• 5.3.1 存在的問題62-63
• 5.3.2 解決方案63-64
• 5.5 新舊結(jié)構(gòu)對比64-65
• 5.6 本章小結(jié)65-66
• 結(jié)論和展望66-67
• 參考文獻67-69
• 致謝69-70
• 作者簡介70-71

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本文編號：1103181