FDM支撑原理及支撑工艺研究

摘要

FDM3D打印机作为以喷头挤出材料的3D打印机的代表，其打印支撑结构的相关特性具有推广性。基于现有的三自由度机械结构FDM3D打印机和相应的切片软件，在打印具有大跨度结构、外伸结构等悬空特征的模型时有添加辅助支撑结构的必要性，然而添加辅助支撑结构在保证模型顺利打印的同时也造成了打印材料的浪费。
　　国内外研究一般以减少支撑结构和实现无支撑结构为出发点，进行支撑结构自动生成算法优化研究，但很少从支撑原理和支撑工艺角度开展研究。
　　支撑原理和支撑工艺是支撑结构优化的基础。本文通过对FDM支撑原理及支撑工艺进行分析，着重对与支撑结构密切相关的支撑临界角进行研究，主要工作如下:
　　(1)研究FDM3D打印机的原理和机械结构，论述三自由度机械结构FDM3D打印机在打印带悬空特征模型时构建辅助支撑结构的必要性。确立了从三维建模优化、切片软件支撑结构算法优化和打印工艺优化三个方面减少支撑结构和实现无支撑结构的研究方法。本文从打印工艺角度，结合ANSYS热结构分析，对提高有效支撑临界角进行研究。
　　(2)阐述了FDM3D打印机中的PLA相变粘结原理，进行了PLA在打印过程中的熔融挤出和冷却粘结相交分析，再通过PLA—喷头简化模型的相变分析与实际打印参数对比的方法求出合理的进丝速度、熔丝挤出速度和挤出丝宽，然后，构建熔丝挤出截面粘结模型进行ANSYS热—应力分析，验证了通过相变温度区分有效粘结的可行性，并分析了影响有效粘结时间的主要因素。
　　(3)分析支撑倾斜角的原理和打印支撑倾斜角的扫描路径。对比不同扫描路径在打印外伸倾斜角时的优劣，选择打印有效支撑临界角的扫描路径。使用APDL编程和生死单元进行不同倾斜角模型的热—结构耦合分析，通过生死单元模拟扫描路径分析不同倾斜角模型倾斜面上的节点位移和整个模型的变形，为支撑临界角的测试实验提供参考。
　　(4)进行FDM3D打印机有效支撑临界角实验，研究对流系数对支撑临界角表面质量的影响，论述支撑临界角每层伸出结构的冷却粘结与打印速度和对流强度两者的关系。通过实验验证了不同层厚、不同的表面过渡形式和不同的倾斜面厚度对支撑临界角表面质量的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 FDM 3D打印技术简介

1．2．1 FDM 3D打印原理

1．2．2 FDM机械结构分类

1．3 FDM打印支撑结构的必要性

1．4 FDM支撑临界角的定义

1．5 3D打印无间隙支撑结构的定义

1．6 FDM打印支撑结构研究现状及主要问题

1．6．1 FDM打印支撑结构国内外研究现状

1．6．2 FDM打印支撑结构存在的主要问题

1．7 课题研究的主要内容

第2章 FDM相变粘结分析

2．1 引言

2．2 FDM打印喷头分类

2．3 PLA相变分析

2．3．1 PLA焓值计算

2．3．2 PLA和喷头模型的相变分析

2．4 FDM 3D打印机打印参数分析

2．5 PLA挤出丝宽计算

2．6 PLA相变粘结分析

2．6．1 相变粘结理论分析

2．6．2 PLA熔丝挤出截面粘结模型热应力分析

2．7 本章小结

第3章 支撑临界角的热结构耦合分析

3．1 支撑临界角的原理

3．2 支撑临界角的扫描路径选择

3．3 带倾斜角模型的热结构耦合分析

3．4 本章小结

第4章 支撑临界角打印实验研究

4．1 支撑临界角趋近实验研究

4．2 对流系数对支撑临界角表面质量的影响

4．3 层厚对支撑临界角表面质量的影响

4．4 支撑临界角模型中的表面过渡方式研究

4．4．1 支撑临界角中的U形过渡对表面质量的影响

4．4．2 支撑临界角中V形过渡对表面质量的影响

4．5 支撑临界角的厚度对表面质量的影响

4．6 支撑临界角的应用

4．7 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果