發(fā)布時(shí)間：2020-12-05 00:40

　　熔融沉積成型(FDM)技術(shù)以設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉、成型速度快、成型材料廣泛等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療、建筑、娛樂、電子和教育等領(lǐng)域的概念建模、功能性原型制作、制造加工、最終用于零件制造和修整等。但是由打印材料熱脹冷縮而產(chǎn)生的制件尺寸變化嚴(yán)重影響著制件的成型精度。本文針對(duì)筒形件在FDM成型過程中產(chǎn)生的尺寸收縮問題,以數(shù)值仿真為研究手段,從FDM成型過程的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)入手,揭示了成型及冷卻過程中筒形件的尺寸收縮規(guī)律及機(jī)理,并研究了不同工藝參數(shù)對(duì)筒形件尺寸收縮的影響,建立了筒形件的尺寸誤差補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型,為提高筒形件的成型精度提供指導(dǎo)依據(jù)。本文首先根據(jù)FDM成型過程熔融絲材動(dòng)態(tài)疊加以及溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化復(fù)雜的工藝特點(diǎn),對(duì)成型過程做出了合理假設(shè),根據(jù)熱力仿真分析基本理論,建立了 FDM成型過程熱力耦合仿真模型,應(yīng)用APDL語言和生死單元技術(shù),設(shè)定了噴頭掃描路徑、初始條件和對(duì)流換熱邊界條件的動(dòng)態(tài)加載方式,完成了熱力耦合仿真分析的算法設(shè)計(jì)。基于APDL命令流,完成了對(duì)筒形件FDM成型以及冷卻過程的熱力耦合仿真,分析了溫度梯度與等效應(yīng)力的變化,揭示了筒形件尺寸收縮產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理。仿真結(jié)果表明,筒形... 

【文章來源】：西安理工大學(xué)陜西省

【文章頁數(shù)】：59 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

熔融沉積成型過程工藝基本原理圖

西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文2XOY平面運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)在Z方向移動(dòng)[13]。絲狀熱塑性材料（如PLA，ABS）由供絲機(jī)構(gòu)送至噴頭加熱至熔融態(tài)，然后依據(jù)掃描路徑逐層沉積到工作臺(tái)上，每完成一層沉積后，工作臺(tái)下降一層高度，噴頭再進(jìn)行下一層的涂覆，如此反復(fù)循環(huán)，直至結(jié)束整個(gè)三維實(shí)體的成型[14]。圖1-1熔融沉積成型過程工藝基本原理圖Fig.1-1Basicprincipleofthefuseddepositionprocess圖1-2熔融沉積成型設(shè)備工作圖Fig.1-2Workingdiagramoffuseddepositionmodelingmachine熔融沉積成型技術(shù)之所以能夠被廣泛應(yīng)用并得到快速發(fā)展，主要得益于它具有以下優(yōu)點(diǎn)[15]：（1）采用熱熔擠壓沉積成型,使得整套設(shè)備操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，維護(hù)成本低,系統(tǒng)運(yùn)行安全；（2）材料類型豐富多樣,包括熱塑性塑料絲，如PLA、ABS、PC、尼龍、工程蠟絲等；（3）原材料在成型加工時(shí)沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，制品翹曲變形校原材料利用率高且壽命長(zhǎng)；（4）成型速度相對(duì)較快，無需模具和夾具，幾個(gè)小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí)就可制造出零件[16]；（5）成型零件具有優(yōu)良的綜合性能，F(xiàn)DM工藝制作的零件在尺寸穩(wěn)定性、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他快速成型工藝制作的零件；（6）成型過程對(duì)環(huán)境無污染，使用的原材料無毒性且不產(chǎn)生異味、粉塵、噪聲等污染，適合于辦公室環(huán)境使用[15]。當(dāng)然除了以上的優(yōu)點(diǎn)以外，熔融沉積成型工藝還存在以下不足[17]：（1）受成型空間限制，F(xiàn)DM工藝只能制造中小型工件；（2）成型過程中不可避免的臺(tái)階效應(yīng)，成型零件表面具有明顯的紋理[15]；（3）對(duì)于厚度較薄的制件或上層較下層截面積大的制件等，則容易發(fā)生翹曲和變形等各種缺陷，沿軸向方向的零件強(qiáng)度比較弱；（4）由于所用材料多為聚合塑料，成型過程中經(jīng)歷的相變過程會(huì)使得最終的成型件產(chǎn)?

砑擁椒?真模型中。由于底板不是本文的研究重點(diǎn)，以及考慮計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)能力和計(jì)算效率，將底板尺寸設(shè)置為大小15mm×15mm×0.5mm的薄板長(zhǎng)方體，網(wǎng)格劃分方式選擇自由劃分。底板單元大小選為0.5mm，劃分方式為自由劃分。掃描路徑選擇為從內(nèi)圈到外圈逐個(gè)單元逐層掃描，填充率設(shè)置為100%。其他工藝參數(shù)設(shè)置：室溫為25℃、底板溫度50℃、噴頭溫度200℃，對(duì)流換熱系數(shù)為72W/m2·K[46]。FDM成型過程是動(dòng)態(tài)變化的過程，因此約束也在隨時(shí)發(fā)生變化，在進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析時(shí)，本文將幾何約束簡(jiǎn)化為模型底板靜態(tài)完全約束。有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2-1所示。圖2-1熔融沉積成形筒形件的有限元模型Fig.2-1Finiteelementmodeloffuseddepositionmodelingcylindricalparts2.4.5熱力耦合分析APDL算法設(shè)計(jì)APDL（ANSYSParametricDesignLanguage）參數(shù)化編程語言，即ANSYS的腳本語言[56]。APDL不僅是優(yōu)化設(shè)計(jì)和自適應(yīng)網(wǎng)格劃分等ANSYS經(jīng)典特性的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，也為日常分析提供了便利。在用ANSYS進(jìn)行相關(guān)有限元模擬計(jì)算時(shí)，可以將涉及到的所有界面


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