低温沉积成型过程温度场建模与仿真分析

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1、低温沉积成型过程温度场建模与仿真分析杨磊鹏李淑娟焦盼德吴学亮西安理工大学机械与精密仪器工程学院摘要：低温沉积成型是一种现代绿色的增材制造技术。在沉积过程屮随着沉积层的增高,冷冻所需要时间也在变化。建立了低温沉积过程的温度场模型，运用数值模拟的方法对沉积过程的温度变化进行模拟仿真。分析出凝I占1时间和初始温度、沉积层数、环境温度和层间等待时间的关系，找到了最短冷冻时间，提高了沉积效率。低温实验的结果也证明了模型的正确性。关键词：低温成型;建模仿真;数值模拟;作者简介：杨磊鹏，男，1991年10月生，陕西兴平人，汉族，西安理工大学在读博士研究牛，研究方向为

2、先进制造与现代加工技术。作者简介：李淑娟，女，1968年9月生，汉族，西安理工大学教授，博导，研究方向为直接数字制造技术。收稿日期:2016-03-16基金：陕西省工业攻关项目(2012K07-25)MODELINGANDSIMULATIONOFTEMPERATUREFIELDFORFREEZEFABRICATIONPROCESSYANGLeiPengLIShuJuanJIAOPanDeWUXueLiangSchoolofMechanicalandInstrumentEngineering,Xi'anUniversityofTechnology;Abs

3、tract：Freezefabricationprocessisanewmoderngreenadditivemanufacturingtechnology.Duringthedepositingprocess,thefreezingtimeneededwouldchangewiththeincreaseofthedepositionlayer.Thepaperestablishedthetemperaturefieldmodelofdepositionprocessandsimulatedthetemperaturechangcofdepositio

4、nprocessusingnumericalSimulation.Therelationshipofdepositingtimewithinitialtemperature,thenumberofdepositinglayer,environmenttemperatureduringtheicepartbuildingprocessandwaitingtimebetweenlayerandlayerwasanalyzedandtheminimumwaitingtimewasfoundwithabetterdepositingefficiency.The

5、experimentresultisalsoagreewiththemodelproposed.Keyword：Freezefabrication;Modelingnndsimulation;Numericnlsimulation;Received：2016-03-16引言随着材料科学、计算机科学、CAD/CAM技术的发展，一种新的制造技术固体自由制造技术(SolidFreeformFabrication,SEE)为制造业增添了新的活力。SFF包括:熔积成型山、分层实体制造②、选择性激光烧结固、3D打印技术［4-5］等等。利用CAD获得三维零件的三维模

6、型，按照层厚要求将模型分层处理成二维面片STL文件，再根据轮廓信息生成数控代码，依据不同制造方法通过逐层堆积形成三维零件。SFF是一种无模具、无刀具的新型制造工艺，解决了许多传统制造过程难以解决的复杂问题，减少了工序，缩短了制造周期。尤其对于复杂的零件，其优越性愈能凸显。木文以水在低温下的成型过程建模为例，研究其他液体或者接近液体材料成型过程，获得其成型过程的温度场变化，从而提高成型过程的效率，具有良好的应用价值。GSui等回构建水滴堆积横截面模型并推导出控制方程。张锡平等也采用FDM方法、离散式喷射实现冰模快速成型，应用于铸造，并对铸件收缩率进行了研

7、究。GuanghuaSui等⑻利用一维瞬态传热模型对薄冰壁进行研究，其数值仿真与试验结果基本吻合。MingCLeu鱼1利用RFP工艺制作冰零件，并对层厚与表面粗糙度进行了深入探讨。FrancesI)Bryant［10］推导出基于预测成型材料与支撑材料相互作用的物理模型。EricBarnetfll］研制出制造冰结构的机器人系统装置。冯超等曲在数字信号控制下扫描喷射出层面轮廓，并获得复杂冰型零件。本文建立了低温沉积成型过程的温度场模型，运用数值模拟曲的方法建模仿真得到凝固时间和沉积层数，凝固时间和环境温度，凝固时间和层间等待时间等的关系，以期提高成型过程的

8、效率，为其他研究提供支持。1基本原理水的低温成型，是将成型设备置于低于液滴凝固的低温环境下，利