熔融沉积成型的自适应分层算法研究及成型过程数值模拟

摘要

熔融沉积成型技术(FDM)是近年来迅速发展的快速原型技术的一种，广泛应用于模具制造、产品设计、医疗等各个领域，随着快速原型技术研究的不断深入，未来熔融沉积成型技术将更加成熟。但是，打印速度和打印精度也制约着FDM型打印机的普及和市场化。本文以提高打印效率和成型精度为出发点，研究了基于STL模型的自适应分层算法，完成了自适应分层软件的二次开发。对温度场和应力场进行数值仿真，提出了一种变速度打印策略，得到了不同层厚、填充间隙和扫描速度下的温度及热应力变化规律。
　　本文首先研究了基于STL模型文件的自适应分层原理，自适应分层是一种根据模型表面特征采用的变层厚打印方法，较传统的等层厚分层能有效的解决打印效率和精度不能兼得的问题。设计了切片分层算法并实现了自适应分层软件的二次开发；设计了对比实验，验证了本文所开发的自适应分层切片算法的有效性和软件实用性。
　　针对成型效率低和小截面打印时容易出现的拉丝、表面褶皱等问题，研究了在ABS丝材粘结温度最优的前提下扫描速度、层面积以及粘结时间间隔三者之间的变化规律，推导出三者之间的函数关系式，并由此提出了一种变速度打印策略，即在截面积大的层面上选用较大的打印速度，在截面积小的层面选用较小的打印速度。变速度打印可以缩短大截面打印的时间并保证小截面打印时不产生拉丝和表面褶皱等缺陷，为后续控制软件二次开发提供有效参考。
　　研究了不同层厚和填充间隙下温度场的变化规律，得到了层厚和填充间隙变化对温度场变化的影响规律。将间隙填充和百分百填充的温度场仿真结果进行对比，得到两种填充方式的差异性。进行温度采集实验，将实际打印中的温度变化数据与ANSYS仿真曲线对比，验证了本文所编写APDL温度场仿真程序的正确性。
　　在温度场分析的基础上，利用ANSYS的热-应力耦合分析功能，对不同扫描速度和层厚下的丝材沉积模型进行应力场仿真，得到了扫描速度和层厚的改变对应力场变化的影响规律，为合理设置熔融沉积成型工艺参数提供了重要参考。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 快速成型技术

1.2 熔融沉积成型技术的原理

1.3 影响成型精度的主要工艺参数

1.4 熔融沉积成型技术的研究现状及存在的主要问题

1.5 课题来源及主要研究内容

第二章 自适应分层算法的实现及CuraEngine软件的二次开发

2.1 Cura 软件介绍

2.2 CuraEngine架构分析

2.3 自适应分层

2.4 算法实现流程

2.5 CuraEngine的二次开发

2.6 实验验证

2.7 本章小结

第三章 熔融沉积过程有限元模型的建立

3.1 ANSYS软件简介

3.2 温度场有限元分析理论

3.3 温度场有限元模型建立

3.4 本章小结

第四章 温度场有限元模拟

4.1 丝材粘结理论分析

4.2 熔融沉积成型的热学模型

4.3 APDL算法设计

4.4 变速度打印仿真研究

4.5 百分百填充下不同层厚温度场仿真

4.6 间隙填充温度场数值仿真

4.7 实验验证

4.8 本章小结

第五章 热-应力耦合场分析

5.1 引言

5.2 热-应力分析基本理论

5.3 熔融沉积成型热-应力分析基本假设

5.4 算法设计

5.5 不同层厚下的应力场仿真

5.6 不同速度下应力场仿真分析

5.7 本章总结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢