基于ANSYS仿真的FDM 3D打印成型件精度研究

摘要

随着社会的进步，市场对个性化产品的要求越来越高，快速成型技术(RPM，Rapid Prototyping Manufacturing)由于其能够快速将所想之物转化为具有一定功能的模型或可直接使用的零件的能力，一开始产生就迅速被社会认可并逐渐普及起来，而熔融沉积建模(FDM，Fused Deposition Modeling)是几种成熟且应用最广泛的快速成型工艺之一。本文以FDM3D打印机为研究对象，以提高成型件的打印精度为目标，集合目前的3D打印机的结构，设计了FDM3D打印机的喷头和导向管结构，并针对影响打印精度的相关打印参数进行了研究，分析选取了最优的打印参数。本文具体研究工作和成果如下:　　(1)通过田口方法研究了FDM3D打印机喷头结构对其出口速度稳定性的影响，利用ANSYS fluent软件对喷嘴流场进行仿真，得出喷嘴内流场的速度变化云图、出口速度和出口速度方差，并用实验验证，得出了稳定出口速度下的高精度成型件。　　(2)对于FDM3D打印机喷嘴系统，在打印过程中，打印材料提前软化，打印和成型部件不能及时冷却，导致打印精度差。对喷嘴结构进行了改进和优化，利用ANSYS软件对优化前后的喷嘴进行了优化。对印刷材料进行了热力学模拟分析，得到了喷嘴温度、打印材料温度云图和应变云图的模拟数据。通过实验测量了打印件结构优化前后的误差。研究结果表明:优化后的导向管可以提前降低打印材料的软化程度，减少横移导轨的变形，提高打印精度。　　(3)针对影响打印精度的打印参数，以填充率、层厚、打印速度这三个参数为变量。采用方差分析法对实验数据进行了分析，着重对成型件的高度误差、平面度误差、圆度误差、圆柱度误差和翘曲变形进行了研究，并对影响这些误差的打印参数的影响程度进行了分析，选取了最优打印参数。

目录

声明

摘要

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状及发展方向

1．2．1 FDM 3D打印国内外研究现状

1．2．2 FDM 3D打印机喷嘴研究现状

1．2．3 FDM 3D打印冷却及散热问题研究现状

1．2．4 FDM 3D打印机打印参数研究现状

1．3主要研究内容

1．4研究结构

1．5本章小结

第2章FDM 3D打印机工作原理与仿真理论分析

2．1 FDM 3D打印机原理及工作过程分析

2．1．1 FDM 3D打印机工作原理

2．1．2其他3D打印技术原理及特点介绍

2．1．3 FDM 3D打印技术特点

2．2传热学理论基础

2．2．1热传学概述

2．2．2热传导的基本方式

2．3流场分析理论基础

2．3．1质量守恒方程

2．3．2能量守恒方程

2．4本章小结

第3章FDM 3D打印喷头出口速度对成型件精度的影响

3．1建立FDM 3D打印喷头模型

3．1．1 FDM 3D打印原理分析

3．1．2田口方法与FDM 3D打印喷头几何模型的构建

3．2 FDM 3D打印喷头出口速度流场仿真分析

3．2．1 Fluent仿真前处理

3．2．2 Fluent仿真设置

3．2．3 Fluent仿真结果

3．3 FDM 3D打印喷头出口速度对成型件精度结果分析

3．3．1数据分析

3．3．2试验验证

3．4本章小结

第4章FDM 3D打印喷头导向管对成型件精度的影响

4．1 FDM 3D打印喷头温度场仿真分析

4．1．1 FDM 3D打印喷头温度场仿真的前处理

4．1．2 FDM 3D打印喷头温度场仿真结果分析

4．2 FDM 3D打印横移导轨热力学仿真

4．2．1 FDM 3D打印横移导轨热力学仿真的前处理

4．2．2 FDM 3D打印横移导轨热力学云图分析

4．3导向管结构优化与仿真分析

4．3．1喷头的改进

4．3．2仿真结果

4．3．3改进前后仿真对比

4．4改进前后导向管对成型件精度结果分析

4．4．1零件的成型实验

4．4．2实验数据的对比分析

4．5本章小结

第5章FDM 3D打印机打印参数对成型件精度的影响

5．1打印参数的选择及正交试验的设计

5．1．1打印参数的选择

5．1．2正交试验的设计

5．2 FDM 3D打印成型实验

5．2．1 FDM 3D打印及参数设置

5．2．2成型件的打印

5．2．3数据的测量

5．3打印参数对成型件精度的结果分析

5．3．1打印参数对高度误差的影响

5．3．2打印参数对平面度误差的影响

5．3．3打印参数对圆度误差的影响

5．3．4打印参数对圆柱度误差的影响

5．3．5打印参数对翘曲变形的影响

5．4本章小结

第6章结论与展望

6．1研究结论

6．2研究展望

致谢

参考文献

附录