基于Fluent的FDM 3D打印机喷头分析与结构优化

针对熔融沉积型3D打印成型件容易出现产品精度比较差的问题,以喷头出口处流体速度为研究方向,建立喷头的流体分析有限元模型,设计田口方法,分析在加热腔长度、丝料过道长度、加热腔温度3个因素的水平组合条件下的流体速度;建立喷嘴三维模型,运用ANSYS Fluent软件对模型进行仿真分析,获得出口截面速度云图,分析出口截面速度方差,并对喷头进行结构优化设计。通过理论与实验相结合的方法,证实优化后的喷嘴有效提高了产品精度。实验结果表明:加热腔长度h_1=5 mm、丝料过道长度h_2=8 mm、加热腔温度T=240℃时,打印产品的精度最高,为喷头的结构优化提供了参考。     

FDM 3D打印机喷嘴流场分析与结构优化

通过田口方法和有限体积法研究了喷嘴结构对熔融沉积型(FDM,Fused Deposition Modeling)3D打印机出口速度稳定性的影响,试验研究在喷嘴收敛角、过渡圆弧半径、整流段长度三个因素的水平组合下进行,利用ANSYS Fluent软件对喷嘴流场进行仿真,得出喷嘴内流场的速度变化云图、出口速度和出口速度方差,并对喷嘴结构进行优化设计。结果表明,收敛角、过渡圆弧半径、整流段长度以及它们之间的交互作用是影响丝料出口速度稳定性的重要因素。通过实验验证,在满足加工条件的情况下,收敛角越小,过渡圆弧半径越大,喷嘴出口速度越稳定。     

FDM多喷头3D打印机结构设计及运动研究

为实现FDM(熔融沉积成型法)多喷头3D打印多材料、多颜色增量制造,在完成多喷头3D打印机结构设计的基础上,通过分析单喷头3D打印机成型运动模式,研究多头3D打印机各运动部件成型轨迹及运动特征。并据此确定其控制方式、控制对象及控制流程,设计基于开放式分层软件+多轴联动控制通信的控制系统。最后,利用三维设计软件构建了彩色三维数据模型并对其成型过程实施仿真。经验证,该多喷头3D打印机可实现多彩色三维模型制作。     

基于FDM技术的多喷头3D打印机关键技术研究

为实现FDM (熔融沉积成型法) 3D打印技术多色彩模型三维实体快速成型效果,设计了基于3组喷头可无干涉交替打印的多喷头3D打印机整机结构,并通过分析单喷头3D打印机工作流程,对比出多喷头3D打印机具有喷头数量多、联动复杂等工作特点,确定了多喷头3D打印机需解决的关键技术为喷头预热时间、喷头切换精度,并据此分析了控制流程,研究了控制系统。最后,依据线性换算方法计算了多组喷头预热时间,利用三维空间矫正方法补偿了喷头切换精度。     

3D打印机喷头组件结构优化设计

针对3D打印机喷头组件的打印精度低和表面粗糙、安装不便、喷头易堵塞等问题,建立喷头组件装配模型,分析其模型特征。并结合傅里叶热传导定律,利用ANSYS workbench对喷头组件进行热力学分析,经仿真分析和实践应用,对打印头组件和铁氟龙管的结构进行重新优化设计。最后将原始喷头组件和改进后的喷头组件进行比较,得到改善后的打印机喷头堵塞频次明显降低,流畅度更好,打印件表面质量也得到了提高,主要散热部件自身散热效率至少提高8.17%,为3D打印机的进一步推广和发展提供了参考。     

基于田口法的FDM3D打印机工艺参数能效优化方法

为研究工艺参数与FDM3D打印机能效耦合的复杂机理,提出一种基于田口法的FDM3D打印机工艺参数能效优化方法。通过设计田口法实验,采集了FDM3D打印机加工过程的能耗以及加工时间数据。采用信噪比分析实验数据,确定能耗和加工时间与工艺参数的关系。研究显示在实验范围内,较低的热床温度和喷头温度,以及较大的打印速度和分层厚度,可大幅减少FDM打印时间,有效降低FDM打印能耗。针对自行研制的FDM 3D打印设备,分别给出了面向最高能效和最高打印效率的优化工艺参数组合。     

并联臂3D打印机温度场分析与实验研究

打印头作为3D打印机的核心部件,温度场分布对其机械性能和成型精度影响较大。针对打印头的温度场分布,采用ANSYS Workbench对其进行温度场的数值模拟,发现圆柱形加热棒对PLA(Polylactic Acid)加热不均匀。因此,设计出环形加热棒的打印头,并对其进行温度场分析,得到加热棒所需温度降低50℃,喷嘴口的PLA的温度提高了50℃。建立了基于热敏电阻传感器温度测试平台,实验结果表明:仿真与实验的相对误差在20%以下,与仿真结果相差不大,表明新型打印头设计合理,具有一定的应用价值。     

低熔点合金3D打印机喷头系统设计

针对FDM型金属3D打印机存在的打印能力有限、喷头结构笨重、成型材料冷却速度较慢等问题,基于低熔点合金的物理特性,设计了一种3D打印机喷头系统,包括材料制备装置、喷头、送料装置、回收装置、抽取装置、气体净化装置和控制装置。材料制备装置与喷头分离,作为独立单元设计;送料装置能够有效地清理喷头及其导料管中的打印余料;喷头上的风冷装置可以加快成型材料表面气体的流动并抽取有害气体;气体净化装置用于处理铅或者镉的氧化物烟尘。此系统支持长时间连续打印,适用于安装在各类FDM型金属3D打印机的三维运动机构上。     

FDM型3D打印机喷嘴多目标优化设计

分析传统桌面级熔融沉积成型(FDM型)3D打印机喷嘴的结构特点,选择喷嘴流道直径、收缩角与喷嘴温度作为试验变量,进行正交仿真试验。分析喷嘴熔体压力场、速度场、黏度场、温度场以及剪切速率场的分布状态。以稳定的出口截面速度、较低的流道熔体黏度以及较高的出口压力作为提高喷嘴打印精度与确保打印过程顺畅的优化目标。通过极差分析,确定三因素分别作用下每个优化指标的变化规律,并基于遗传算法求解多目标优化问题。结果表明:出口速度方差的最显著影响因素为流道直径,流道熔体黏度与出口压力两指标的最显著影响因素为喷嘴温度;综合考量,喷嘴流道直径为1 mm、收缩角为30°且在200~210℃工作时,能够实现较优指标的聚丙烯熔体打印。     

基于工艺参数响应曲面的FDM 3D打印机能耗分析

熔融沉积技术(Fused Deposition Molding,FDM)在3D打印领域应用广泛,其能耗特性尚不明确,因此进行了FDM 3D打印机工艺参数对能耗的影响研究。通过设计响应曲面实验,采集了FDM3D打印机加工过程的能耗数据。利用实验数据生成响应曲面并作降维处理,分析各个工艺参数对能耗的变化趋势的影响,即随着热床温度的升高则能耗上升,随着打印速度、分层厚度的增大则能耗降低。获取较低的能耗需要尽可能地减少待机和加工时间,一方面要选择合适的热床温度和喷头温度,另一方面选择较大的打印速度和分层厚度。     

基于FDM的3D打印参数优化实验研究

以熔融沉积制造技术中常用的基体材料PLA作为对象,通过3D打印实验,对打印过程中的因素参数进行优化实验研究。利用单因素实验法和正交实验法,以打印时间和打印尺寸误差为实验指标,选取层厚、打印速度和喷嘴温度三个主要因素展开实验。实验结果表明,层厚为0.3mm,打印速度为20mm/s,喷嘴温度为200℃时,可以在保证打印质量的情况下获得最短打印时间。对打印效率影响程度由大到小依次是层厚,打印速度,喷嘴温度,并进一步通过实验验证。     

双并联结构的3D打印机研发及实验分析

为了解决目前在应用FDM技术对一些悬臂结构以及中空结构进行3D打印时,由于添加支撑致使试件打印质量偏低或者难于成型的问题,设计了双并联结构的3D打印机,其打印平台可以在打印过程中围绕X、Y轴翻转,达到减少甚至去除支撑的目的。对结构的实现原理进行了说明,提出了控制装置实现预期功能的思路和方案。利用ADAMS对装置三维模型进行了虚拟样机仿真实验,得到了运动学分析数据,结合实际打印实验,通过对具有代表性的试件打印,验证了双并联结构的3D打印机的功能实现的可行性,通过打印平台的翻转实现了减少打印件的支撑甚至去除支撑的功能。     

FDM型金属3D打印研究现状与展望

熔融沉积成形(FDM)是目前最常用的3D打印技术之一,具有设备简单、成本低、操作简单等特点,广泛应用于航天航空、汽车、医疗、新能源等领域。介绍了FDM打印技术的原理,通过与常见金属3D打印技术相比较,突出了FDM型金属3D打印的优点,并介绍了FDM型金属3D打印的工艺流程。从FDM型金属3D打印材料种类展开描述,对不同金属材料进行相应的分类,重点阐述打印过程中所涉及的粘接剂的选择、打印工艺的优化、脱脂烧结方式的设计与试验等方面的研究进展。最后对FDM型金属3D打印的发展及应用前景进行了展望。     

彩色3D FDM打印关键基础技术

针对彩色3D FDM打印关键基础技术,从研究现状、成形精度和存在问题等方面进行探讨,着重对多喷头联动控制、扫描路径规划、工艺参数优化、表面精度提高、内部质量等方面进行探索,致力于开发具有自主知识产权的彩色3D FDM打印快速成形设备。     

3D打印机送丝机构和喷嘴协同优化研究

为提高3D打印机出丝的连续性与稳定性,提出送丝机构和喷嘴协同优化方法,克服了已有的打印机喷嘴和送丝机构单独优化而忽略两者之间耦合效应的不足。以喷嘴加热段长度、散热段长度、出口长度、送丝速度为优化参数,以喷嘴截面平均速度和平均温度为优化目标,设计正交试验,进行流体仿真。为快速得到最优方案,基于神经网络与NSGA-Ⅱ算法进行优化分析,结果表明：加热段长度为6 mm、散热段长度为4 mm、出口长度为0.7 mm、送丝速度为4.5 mm/s时,最大喷嘴截面平均速度为78 mm/s,最大平均温度为208.39 ℃,最大平均速度提高2.6%,最大平均温度提高1.22%。以最佳工艺参数组合进行流体仿真验证,结果表明：喷嘴截面平均速度与温度确实明显提高。     

三自由度悬臂式3D打印机结构设计及优化

针对目前龙门式3D打印机打印平台固定且打印空间受限的问题,基于圆柱坐标系用ρ、θ和z三个参数对三维空间进行描述的原理,创新设计出一台具有旋转运动、水平移动和上下移动的三自由度悬臂式3D打印机。通过对底座上方机械的结构分析和受力分析,对旋转传动装置分析模型进行了简化处理。并使用有限元软件ANSYS Workbench对简化后的旋转传动装置进行了静力分析和模态分析。在静力分析和模态分析的基础上,按轻量化的设计要求,利用ANSYS的响应曲面优化工具,对减速器承载体的关键尺寸进行多目标优化。优化结果表明,响应面优化法能很好地完成多目标优化设计,实现了整机的轻量化。     

基于蒙特卡洛法的3D打印机定位精度分析

为了研究在各种误差源综合作用的条件下,FDM桌面3D打印机挤出机头相对于热床的定位精度情况,通过蒙特卡洛法对其定位精度进行评估。根据多刚体系统理论,建立3D打印机的拓扑结构模型;基于仪器精度理论,对误差向量进行综合分析,分析步进电机在运动过程中,各种误差源在x,y,z方向引入的误差向量,建立3D打印机的误差传递模型;通过蒙特卡洛法对在各种误差源综合作用的情况下打印机挤出机头的定位精度进行仿真计算。结果表明:在置信概率95%情况下,挤出机头相对于热床在x,y,z 3个方向上的定位输出及其扩展不确定度分别为x=(70±0.099)mm,y=(50±0.100)mm,z=(20±0.518)mm。该方法可用于分析影响定位精度的主要因素,进行误差补偿,提高定位精度;也可应用到精密仪器设计中用于精度分配计算,合理分配多刚体结构各环节的精度指标。     

基于斜面结构产品FDM式3D打印方法的研究及应用

对于大尺寸的铸件模具,3D打印时通用的挤出丝线宽度在2～20mm,成型后为了确保表面的尺寸、粗糙度等精度,需要进行精加工。而在精加工的过程中,经常会发现在产品耐受工作范围内有孔洞,特别是对于带有斜面结构的产品,从而影响了产品的使用强度,造成产品报废或者需要返工处理。提供了一种用于打印带有斜面结构产品的FDM式3D打印方法~([1]),通过设定斜面结构的表皮层和延伸量,来增加斜面结构的实体区域,从而实现斜面区域的实体打印,避免了斜面上孔洞的出现,保障了产品的工作强度~([2])。此种方法,通过设定产品表皮层的实体打印区域,保证了产品的整体质量,且通过设定表皮层的厚度和延伸量的大小,实现了产品每层切片上表皮层打印区域二维数据的确定,从而为打印提供了基准。避免了FDM打印过程中表皮塌陷,提升了斜面成型质量,缩短了表面成型时间。同时由于表面的实体打印,避免了由于斜面角度过大,在精加工时出现的表面孔洞缺陷。     

3D打印中FDM技术的应用及成型件精度分析

介绍了3D打印技术的应用,分析了影响成型件精度的因素.在加工阶段,通过优化工艺参数,选用适量的分层厚度、合适的加工参数、有效的支撑结构设计以及质量精度高的加工设备,可提高成型件的精度和表面质量.