為實現(xiàn)混色3D打印,解決打印過程中噴頭結(jié)構(gòu)和材料不合理、混色質(zhì)量不高、打印精度差、噴頭易堵塞等問題,分別對分支式和一體式三進一出混色噴頭進行了對比分析研究。通過Solid Works三維建模軟件,對混色噴頭進行精細的三維建模,在Ansys有限元分析軟件中,對混色噴頭進行溫度場和應(yīng)力場仿真求解。對比求解結(jié)果,指出了該混色噴頭的設(shè)計缺陷,然后對噴頭進行優(yōu)化設(shè)計,再次通過有限元分析驗證了優(yōu)化設(shè)計的合理性。最終進行打印試驗,驗證兩款噴頭的打印質(zhì)量以及打印穩(wěn)定性。本文以兩種多擠出機單噴頭作為研究對象,主要研究內(nèi)容如下:1.分支式和一體式混色噴頭模型的設(shè)計。使用三維建模軟件設(shè)計了兩種噴頭模型,分支式噴頭主要部件包括:散熱器、喉管、加熱管、熱敏電阻、噴嘴,散熱器為圓柱形片式,加熱管放置于噴嘴中心位置,能夠?qū)娮炀鶆蚣訜帷Ｒ惑w式噴頭的主要部件相對分支式噴頭增加了加熱塊,散熱器則用了扇形散熱器,提高散熱效率;喉管采用鋼制材料,以防止PLA膨脹或融化阻塞噴頭;加熱管對稱放置,能夠均勻加熱。加熱塊中有材料混合腔有利于材料液體的混合。2.有限元熱力耦合分析。對分支式和一體式噴頭分別導(dǎo)入到有限元分析軟件,再分別進行網(wǎng)格劃分與優(yōu)化。網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對有限元分析的結(jié)果影響很大,因此對比幾種網(wǎng)格劃分質(zhì)量,分支式和一體式噴頭都使用四面體主導(dǎo)劃分網(wǎng)格。使用瞬態(tài)溫度分析系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析系統(tǒng)結(jié)合,把前者的求解結(jié)果作為后者的輸入?yún)?shù),對噴頭進行熱力耦合分析,根據(jù)求解結(jié)果找出兩種噴頭的優(yōu)缺點,進行優(yōu)化設(shè)計。分支式噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理,加熱以及散熱性能良好,但是熔融流道沒有混合腔,不同色彩的耗材無法混合,導(dǎo)致混色打印效果不好。一體式噴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜,熔融流道呈L型設(shè)計不太合理,噴頭容易堵塞,但是它具有一定大小的混合腔,有利于耗材的混合,從而有利于提高混色打印效果。3.根據(jù)有限元求解結(jié)果,對兩種混色噴頭進行優(yōu)化設(shè)計。針對分支式噴頭設(shè)計一個混合腔室,使得耗材充分混合,提升混色打印效果。由于散熱器設(shè)計不夠合理,散熱效果不夠理想,因此改進散熱器為一致直徑。加熱管露出噴嘴導(dǎo)致外部溫度很高,一方面不利于熱量的充分利用,另一方面也不利于散熱,故縮小加熱管尺寸。然后由于一體式加熱塊中流道呈現(xiàn)L型,不利于絲材進入,溫度降低時易造成堵塞,故改進流道造型。熱敏電阻溫度比加熱塊的溫度略低,不能反映整個加熱塊以及流道的溫度分布,故將熱敏電阻從加熱塊的圓柱側(cè)面位置移至加熱塊上表面的中心位置。喉管與散熱器接觸的豁口位置溫度依然較高,絲材經(jīng)過此豁口易受熱膨脹造成堵塞,故將喉管的豁口去除。對兩款噴頭的形變分析,由于溫度的差異對噴頭的形變的影響只有層厚的一半,對打印效果影響不大。4.通過對改進后的噴頭進行有限元熱力耦合分析,以及使用兩種噴頭進行打印試驗驗證優(yōu)化的合理性。兩種噴頭的不足基本已經(jīng)解決。使用改進后的混色噴頭進行打印試驗,均對混色打印的效果以及質(zhì)量有所提升。本文主要對兩種多擠出機單噴頭打印進行了熱力耦合場對比分析研究,對比求解結(jié)果,對其不足進行優(yōu)化設(shè)計�；窘鉀Q打印過程中的噴頭結(jié)構(gòu)不合理、混色質(zhì)量不高、打印精度差、噴頭易堵塞等問題。本研究結(jié)果對基于FDM技術(shù)的混色3D打印機的噴頭設(shè)計具有重要的參考價值。
【學(xué)位單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP334.8
【部分圖文】：

圖 2.1 3D 打印基本流程增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM），俗稱 3D 打印技術(shù)，是一種高速發(fā)展成到制造業(yè)以及我們?nèi)粘Ｉ钪械募夹g(shù)，在不同的領(lǐng)域都頗受追捧，也有不同的名稱速成型技術(shù)[14]（Rapid Prototyping，RP）、分層制造技術(shù)（Layered Manufacturing，L體自由制造技術(shù)（Solid Free Fabrication，SFF）等[15]。3D 打印是直接通過計算機復(fù)制現(xiàn)三維設(shè)計，并且不需要任何特定的零件工具或模具的一種成型方法。在這個逐層制程中，打印物體是在 X-Y 平面上逐層打印，在 Z 軸或者第三維度逐層疊加而成[16]。和制造技術(shù)有著本質(zhì)的不同，傳統(tǒng)制造技術(shù)在制造過程中往往伴隨著材料的損失，實際材制造，就是往往通過一塊原始材料，對其進行“雕琢”，直到最后加工成我們所希望或物品。傳統(tǒng)制造技術(shù)與 3D 打印技術(shù)相比存在諸多不足：一是材料浪費。對材料做“，進行大量的切削加工，大部分材料都要被切削浪費掉。二是很難實現(xiàn)個性化定制。傳造方式每一個步驟都會產(chǎn)生成本，通過批量生產(chǎn)和大規(guī)模制造，這些成本被分攤到各上，從而價格可以令人們接受，因此大批量制造是傳統(tǒng)制造業(yè)的特點，和個性化是互的，這也是先天的缺陷[17]。三是對創(chuàng)新和創(chuàng)意的限制。

圖 2.2 SLA 技術(shù)原理、打印機和打印實物粉末粘接技術(shù)（Three-Dimensional Printing，3DP）：又被稱為“三維種 3D 打印技術(shù)，也是世界上最早的全彩色 3D 打印機。3DP 打印原非常類似，首先滾筒需要鋪一層粉末材料，其次通過噴嘴噴射粘合料通過粘合劑的粘接形成零件的一層，一直重復(fù)以上操作最終打印為粉末材料，需要粉末材料具有成型性好、成型強度高、粉末顆粒26]，能夠用來打印的材料包括淀粉、石膏粉末、陶瓷粉末、熱塑材

圖 2.2 SLA 技術(shù)原理、打印機和打印實物末粘接技術(shù)（Three-Dimensional Printing，3DP）：又被稱為“三 3D 打印技術(shù)，也是世界上最早的全彩色 3D 打印機。3DP 打印原常類似，首先滾筒需要鋪一層粉末材料，其次通過噴嘴噴射粘合通過粘合劑的粘接形成零件的一層，一直重復(fù)以上操作最終打印粉末材料，需要粉末材料具有成型性好、成型強度高、粉末顆粒6]，能夠用來打印的材料包括淀粉、石膏粉末、陶瓷粉末、熱塑材
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本文編號：2850355