熔融沉积快速成型精度研究及其成型过程数值模拟

摘要

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)是一种近几十年来得到迅速发展的快速成型制造技术。因其在成型过程中不需要激光、成型材料广泛且占地面积小等而被广泛应用于产品开发、快速模具制作、医疗器械的设计开发及人体器官的原型制作，代表着快速成型制造技术的一个重要发展方向，但是，成型件的精度作为一个关键因素限制了熔融沉积成型的发展。因此，本文拟从熔融沉积成型的工艺参数出发，对其原型精度进行实验研究，并采用大型有限元分析软件ANSYS中的“单元生死”技术，模拟熔融沉积成型过程的温度场和应力场，以期得到工艺参数对成型精度的影响。
　　 分析总结了熔融沉积成型产品容易产生的缺陷及精度的影响因素，它们分别是成型系统导致的误差、CAD模型离散化导致的误差、分层厚度引起的误差、喷丝宽度引起的误差和材料的收缩引起的误差等，并对原型制件表面质量及翘曲变形做了实验探究，得出其影响因素及影响规律。
　　 研究了熔融沉积成型温度场有限元数值模拟技术，在考虑了熔融沉积成型本身特点的基础上，进行了合理的假设，建立了熔融沉积成型过程温度场的分析模型，模拟得出各点温度随时间变化、温度梯度及不同扫描速度及扫描路径对温度场的影响。
　　 采用热-结构耦合，以温度场的分析结果作为初始条件，施加到应力场分析中，进行了熔融沉积成型过程应力场及应变场的模拟，得出了不同扫描路径及扫描速度下应力应变场的分布，并对相同路径不同扫描速度下应力应变场及相同扫描速度下不同扫描路径应力应变场进行了比较，分析给出了扫描路径与扫描速度对应力应变场及变形量的影响规律。
　　 本文关于熔融沉积成型工艺参数对表面质量及翘曲变形的实验研究及成型过程中工艺参数对温度场、应力应变场及其变形量的数值模拟研究，为实现熔融沉积成型精度及质量控制提供了重要参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 快速原型技术概述

1．2．1 快速原型技术简介

1．2．2 快速成型技术的主要应用

1．3 熔融沉积快速成型工艺简介

1．3．1 熔融沉积快速成型工艺的工作原理

1．3．2 熔融沉积快速成型工艺的工艺特点

1．3．3 熔融沉积快速成型的工艺过程

1．4 熔融沉积快速成型技术的研究现状及主要问题

1．4．1 熔融沉积快速成型技术的国内外研究现状

1．4．2 熔融沉积快速成型技术存在的主要问题

1．5 课题研究的主要内容

第二章 熔融沉积快速成型零件精度分析

2．1 引言

2．2 制件可能出现的缺陷

2．2．1 表面缺陷

2．2．2 内部缺陷

2．3 影响熔融沉积快速成型制件精度的因素

2．3．1 成型系统导致的误差

2．3．2 CAD模型离散化过程中的精度损失

2．3．3 材料收缩引起的尺寸误差

2．3．4 分层厚度的影响

2．3．5 喷头温度和成型室温度的影响

2．3．6 喷丝宽度的影响

2．3．7 填充速度和挤出速度交互的影响

2．3．8 后处理过程中导致的误差

2．4 小结

第三章 熔融沉积快速成型精度的实验研究

3．1 引言

3．2 熔融沉积快速成型制件表面质量实验研究

3．2．1 试样设计及制作

3．2．2 数据处理

3．3 熔融沉积快速成型制件翘曲变形实验研究

3．3．1 翘曲变形的成因

3．3．2 翘曲变形的表征

3．3．3 翘曲变形的实验研究

3．4 本章小结

第四章 熔融沉积成型过程温度场的模拟研究

4．1 ANSYS有限元软件简介

4．2 生死单元技术

4．3 熔融沉积成型有限元分析特点

4．4 熔融堆积成形过程温度场的模拟

4．4．1 单元类型的选取

4．4．2 热分析介绍

4．4．3 相变潜热的处理

4．4．4 算法设计

4．4．5 有限元模型的建立

4．5 熔融堆积成型过程温度场的模拟

4．5．1 熔融堆积成型过程中各节点的温度随时间变化分析

4．5．2 熔融沉积成型过程中某时刻的温度梯度分布特征

4．5．3 不同扫描速度对温度场的影响

4．5．4 不同扫描路径对温度场的影响

4．6 本章小结

第五章 熔融沉积成型过程应力应变场的模拟研究

5．1 应力场模拟遵循的基本理论

5．2 ANSYS中的热-力耦合分析

5．3 转换分析单元类型、定义相应的材料特性参数

5．4 约束的施加

5．5 算法的设计

5．6 熔融堆积成型应力场的模拟结果分析

5．6．1 相同扫描路径及扫描速度下应力场的比较

5．6．2 相同路径不同扫描速度下应力场的比较

5．6．3 不同扫描路径的应力场的比较

5．7 熔融堆积成型应变场的模拟结果分析

5．7．1 不同扫描速度下应变场的比较

5．7．2 不同扫描路径下应变场的比较

5．8 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

温度场模拟程序

应力场模拟程序

致谢

学位论文评阅及答辩情况表