熔融沉積成型零件尺寸誤差形成機理與補償方法研究
發(fā)布時間：2020-12-05 00:40
熔融沉積成型(FDM)技術(shù)以設備簡單、成本低廉、成型速度快、成型材料廣泛等優(yōu)勢而被廣泛應用于汽車、醫(yī)療、建筑、娛樂、電子和教育等領域的概念建模、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重影響著制件的成型精度。本文針對筒形件在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成型過程的溫度場與應力場入手,揭示了成型及冷卻過程中筒形件的尺寸收縮規(guī)律及機理,并研究了不同工藝參數(shù)對筒形件尺寸收縮的影響,建立了筒形件的尺寸誤差補償數(shù)學模型,為提高筒形件的成型精度提供指導依據(jù)。本文首先根據(jù)FDM成型過程熔融絲材動態(tài)疊加以及溫度場、應力場變化復雜的工藝特點,對成型過程做出了合理假設,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,應用APDL語言和生死單元技術(shù),設定了噴頭掃描路徑、初始條件和對流換熱邊界條件的動態(tài)加載方式,完成了熱力耦合仿真分析的算法設計�；贏PDL命令流,完成了對筒形件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力的變化,揭示了筒形件尺寸收縮產(chǎn)生的內(nèi)在機理。仿真結(jié)果表明,筒形...
【文章來源】：西安理工大學陜西省
【文章頁數(shù)】：59 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
熔融沉積成型過程工藝基本原理圖
西安理工大學碩士學位論文2XOY平面運動，工作臺在Z方向移動[13]。絲狀熱塑性材料（如PLA，ABS）由供絲機構(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上，每完成一層沉積后，工作臺下降一層高度，噴頭再進行下一層的涂覆，如此反復循環(huán)，直至結(jié)束整個三維實體的成型[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用并得到快速發(fā)展，主要得益于它具有以下優(yōu)點[15]：（1）采用熱熔擠壓沉積成型,使得整套設備操作簡單，自動化程度高，維護成本低,系統(tǒng)運行安全；（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沒有發(fā)生化學反應，制品翹曲變形校原材料利用率高且壽命長；（4）成型速度相對較快，無需模具和夾具，幾個小時到幾十個小時就可制造出零件[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、對環(huán)境的適應能力遠遠超過其他快速成型工藝制作的零件；（6）成型過程對環(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]。當然除了以上的優(yōu)點以外，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階效應，成型零件表面具有明顯的紋理[15]；（3）對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，以及考慮計算機存儲能力和計算效率，將底板尺寸設置為大小15mm×15mm×0.5mm的薄板長方體，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)圈到外圈逐個單元逐層掃描，填充率設置為100%。其他工藝參數(shù)設置：室溫為25℃、底板溫度50℃、噴頭溫度200℃，對流換熱系數(shù)為72W/m2·K[46]。FDM成型過程是動態(tài)變化的過程，因此約束也在隨時發(fā)生變化，在進行應力場分析時，本文將幾何約束簡化為模型底板靜態(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算法設計APDL（ANSYSParametricDesignLanguage）參數(shù)化編程語言，即ANSYS的腳本語言[56]。APDL不僅是優(yōu)化設計和自適應網(wǎng)格劃分等ANSYS經(jīng)典特性的實現(xiàn)基礎，也為日常分析提供了便利。在用ANSYS進行相關有限元模擬計算時，可以將涉及到的所有界面
本文編號：2898544
【文章來源】：西安理工大學陜西省
【文章頁數(shù)】：59 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
熔融沉積成型過程工藝基本原理圖
西安理工大學碩士學位論文2XOY平面運動，工作臺在Z方向移動[13]。絲狀熱塑性材料（如PLA，ABS）由供絲機構(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上，每完成一層沉積后，工作臺下降一層高度，噴頭再進行下一層的涂覆，如此反復循環(huán)，直至結(jié)束整個三維實體的成型[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用并得到快速發(fā)展，主要得益于它具有以下優(yōu)點[15]：（1）采用熱熔擠壓沉積成型,使得整套設備操作簡單，自動化程度高，維護成本低,系統(tǒng)運行安全；（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沒有發(fā)生化學反應，制品翹曲變形校原材料利用率高且壽命長；（4）成型速度相對較快，無需模具和夾具，幾個小時到幾十個小時就可制造出零件[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、對環(huán)境的適應能力遠遠超過其他快速成型工藝制作的零件；（6）成型過程對環(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]。當然除了以上的優(yōu)點以外，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階效應，成型零件表面具有明顯的紋理[15]；（3）對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，以及考慮計算機存儲能力和計算效率，將底板尺寸設置為大小15mm×15mm×0.5mm的薄板長方體，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)圈到外圈逐個單元逐層掃描，填充率設置為100%。其他工藝參數(shù)設置：室溫為25℃、底板溫度50℃、噴頭溫度200℃，對流換熱系數(shù)為72W/m2·K[46]。FDM成型過程是動態(tài)變化的過程，因此約束也在隨時發(fā)生變化，在進行應力場分析時，本文將幾何約束簡化為模型底板靜態(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算法設計APDL（ANSYSParametricDesignLanguage）參數(shù)化編程語言，即ANSYS的腳本語言[56]。APDL不僅是優(yōu)化設計和自適應網(wǎng)格劃分等ANSYS經(jīng)典特性的實現(xiàn)基礎，也為日常分析提供了便利。在用ANSYS進行相關有限元模擬計算時，可以將涉及到的所有界面
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