fdm快速成型机的数值模拟及结构优化

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1、遠寧鄉波聲ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏＬｉａｏｎｉｎｙｇｙｇＩ晒工等恆巧交ＴＨＥＳ＇ＩＳＦＯＲＭＡＳＴＥＲＳＤＥＧＲＥＥ＇ｊ透Ｉ覆／Ｉ－’，．．：；－；Ｉ■＂？ｉ＂？－－Ｉ，／：；：，；＇？．？Ｉ人＂ＦＤＭ快速成型机的数值模拟及结构优化；｝ｆ■ＩＩｆ＇作者姓名：周志斌？．指导教师：梁宏斌教授＿，－■奔专业领域：ｍ械工程，

2、答辩日期：２０１６年６月５日独倒性两明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研＞１究成果。尽我所知，除了文中特别加＾＾标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迁宁科技大学或其它教育机构一的学位或证书而使用过的材料，与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文作者签名；吗玄说日期；年月《日关于论文使用授枚的说明本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权：保留送

3、交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅学校可Ｗ公布论文的全部或部分内容，可Ｗ采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本学位论文属于：保密□在年解密后适用＂本授权书。Ｖ＂不保密□（请在Ｗ上方框内打）■论文作者签名；闻欲曰期：年／月５曰指导教师签名＿日期；年／月Ｊ：日公开分类号TP391.7密级UDC621单位代码10146学号133085201024硕士学位论文FDM快速成型机的数值模拟及结构优化研究生姓名：周志斌指导教师：梁宏斌教授工作单位：辽宁科技大学机械院指导教师：教授工作单位：论文提交日期：答辩日期

4、：学位授予日期：授予单位：论文评阅人：教授工作单位：论文评阅人：教授工作单位：答辩委员会主席：教授工作单位：NUMERICALSIMULATIONANDOPTIMIZATIONONFDMRAPIDPROTOTYPINGMACHINEUniversityofScienceandTechnologyLiaoningbyZhouZhibin(MechanicalEngineering)Supervisor:Prof.LiangHongbinJuly2016中文摘要中文摘要FDM快速成型工艺（FusedDepositionModeli

5、ng），又称熔融沉积造型，它的工作原理是首先将设计好的三维模型通过切片软件对其进行切片，将所得数据导入到3D打印机中，然后将打印线材（PLA、ABS等）加热到熔融状态后，通过挤压从喷嘴处将熔融状态下的线材挤出成丝状，接着按照切片所得的截面轨迹逐层打印堆积直至完成。采用FDM快速成型技术的3D打印机与传统工艺技术相比在加工成本、成型件的复杂程度等方面优势明显，在机械、土木工程、军事、医疗等方面也得到广泛的应用，有着良好的发展前景和巨大的商业价值。但由于FDM快速成型技术属于多学科相融合的一项技术，涉及机械、电子、材料、软件等领域

6、的知识。因此，其在研发的过程中所遇到的问题也是错综复杂的，例如喷头轨迹的规划、填充和回抽的算法、运算控制软件的开发、打印材料的诸多限制、打印复杂模型时间长、喷嘴结构无法长时间反复工作等问题。因此，本文结合日常使用中遇到的问题，选择其中的三种（喷嘴经常堵料、打印时间过长、发生故障时拆卸繁琐），运用ANSYSWorkbench软件对其中涉及到的温度场、热力耦合等问题进行数值模拟，得到相关的数据，最终通过实验验证数值模拟的准确性，主要研究内容如下：(1)基于一种新型的喷嘴与旧喷嘴的温度场对比作为引导，引导出喷嘴温度场的稳定性、温差的

7、范围对线材熔融过程的假设，以高斯热源模型作为喷嘴的热源，结合ANSYSWorkbench软件的稳态温度场分析模块，对新旧两种喷嘴的温度场进行数值模拟；(2)打印速度能否得到提高的关键取决于最终的成型件是否稳定，所以将新喷嘴的打印速度调整到旧喷嘴打印速度的两倍，对比其最终打印成型件的温度场。这一过程依然要借助ANSYSWorkbench软件，但由于成型件的成型过程是逐层打印依次成型的过程，因此常规方法无法真实的模拟该过程，所以需要借助生死单元技术和APDL汇编语言来完成；(3)借助成型件温度场的模拟数值，可直接对其应力场进行模拟

8、，将成型件的打印起始点Z轴设定为边界约束，将所有节点的温度依次加载到成型件上，最终完成数值模拟；(4)新型FDM快速成型机结构的设计；(5)实验验证之前对新旧喷嘴和成型件的温度场和应力场的数值模拟的准确性。关键词：FDM；生死单元技术；数值模拟iiAbstractABSTRA