(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111605199 A(43)申请公布日 2020.09.01
(21)申请号 202010437609.0(22)申请日 2020.05.21
(71)申请人 哈尔滨理工大学
地址 150000 黑龙江省哈尔滨市南岗区学
府路52号(72)发明人 吕宁 江波 (51)Int.Cl.
B29C 64/386(2017.01)G06F 30/23(2020.01)B33Y 50/00(2015.01)
权利要求书1页 说明书3页 附图2页
CN 111605199 A(54)发明名称
一种FDM3D打印机有限元分析及成型精度方法
(57)摘要
本发明公开了一种FDM3D打印机有限元分析及成型精度方法，涉及3D打印技术领域；系统分
成型加工误差和析了熔融沉积成型原理性误差、
后处理误差的主要影响因素；利用ANSYS有限元分析软件，建立熔融沉积成型过程的温度场和应力场分析模型，模拟得到了关键节点温度和应力随时间变化、温度梯度和应力分布规律；利用ANSYS温度场仿真软件对FDM型3D打印机喷头三维模型进行温度场仿真，得出3D打印机喷头的温度场分布；根据温度场仿真结果，为喷头结构进行优化设计，进而提高FDM型3D打印机的打印连续性、效率以及打印工件的表面质量。并对打印参数进行优化设计，以提高成型精度。
CN 111605199 A
权 利 要 求 书
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1.一种FDM3D打印机有限元分析及成型精度方法，其特征在于：它的方法如下：步骤一：FDM型3D打印机精度分析：依据熔融沉积成型技术的成型过程，按照误差产生的来源，将影响熔融沉积成型制件的误差主要分为三类：原理性误差、成型加工误差以及后处理误差；从原理性误差、成型加工误差及后处理过程中误差三个角度，仔细的分析了成型过程中各个环节影响成型精度因素并给出相应的解决措施，为之后的实验和研究提供理论指导；
步骤二：FDM型3D打印机有限元模拟及分析：通过ANSYS软件输入定义模型参数材料属性，接着建立有限元模型网格划分，激活一个单元后施加温度载荷边界调节，然后进行求解，确定单元是否全部激活，否时则再次进入激活一个单元，是则输出结果并进行转换单元类型定义材料属性，然后再次激活一个单元，读取温度数据加载后进行求解，确定单元是否全部激活，否则返回激活一个单元，是则输出结果;
步骤三：FDM型3D打印机打印头温度场分析及结构优化：利用ANSYS 软件导入模型数据，接着选择单元类型并定义材料属性，划分材料属性，接着进行加载，并进行定义边界条件，然后求解，查看结果；
步骤四：FDM型3D打印机工艺参数的优化：在完成打印机的优化设计之后，对3D 打印机的打印效果进行测试，并在此基础上就对优化后的3D 打印机进行工艺参数和打印件打印质量的影响规律进行研究，通过设计几组不同的正交实验加以分析论证得到工艺参数对打印精度的影响规律，然后确定合理的工艺参数。
2.根据权利要求1所述的一种FDM3D打印机有限元分析及成型精度方法，其特征在于：所述步骤一中原理性误差包括CAD模型拟合误差、分层切片误差、成型机器误差。
3.根据权利要求1所述的一种FDM3D打印机有限元分析及成型精度方法，其特征在于：所述步骤一中成型加工误差包括材料性能误差与工艺参数误差。
4.根据权利要求1所述的一种FDM3D打印机有限元分析及成型精度方法，其特征在于：所述后期处理误差包括表面后处理误差与去支撑导致误差。
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说 明 书
一种FDM3D打印机有限元分析及成型精度方法
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技术领域
[0001]本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种FDM3D打印机有限元分析及成型精度方法。
背景技术[0002]FDM 工艺具有成型成本低、设备体积小、操作简单等优点，但也面临着成型精度不高的问题。制件的性能表现往往决定着 FDM 工艺的应用推广程度。如何提高制件的成型精度成为了相关研究人员关注的焦点。成型件的表面质量不高已经严重限制了熔融沉积快速成型技术在市场上的推广运用。因此，有必要从成型过程的各个环节找出影响成型件精度的每个因素，从这些因素入手找出改善制件成型精度的方法。发明内容
[0003]为解决现有的问题；本发明的目的在于提供一种FDM3D打印机有限元分析及成型精度方法。
[0004]本发明的一种FDM3D打印机有限元分析及成型精度方法，它的方法如下：
步骤一：FDM型3D打印机精度分析：依据熔融沉积成型技术的成型过程，按照误差产生的来源，将影响熔融沉积成型制件的误差主要分为三类：原理性误差、成型加工误差以及后处理误差；从原理性误差、成型加工误差及后处理过程中误差三个角度，仔细的分析了成型过程中各个环节影响成型精度因素并给出相应的解决措施，为之后的实验和研究提供理论指导；
步骤二：FDM型3D打印机有限元模拟及分析：通过ANSYS软件输入定义模型参数材料属性，接着建立有限元模型网格划分，激活一个单元后施加温度载荷边界调节，然后进行求解，确定单元是否全部激活，否时则再次进入激活一个单元，是则输出结果并进行转换单元类型定义材料属性，然后再次激活一个单元，读取温度数据加载后进行求解，确定单元是否全部激活，否则返回激活一个单元，是则输出结果。
[0005]步骤三：FDM型3D打印机打印头温度场分析及结构优化：
利用ANSYS 软件导入模型数据，接着选择单元类型并定义材料属性，划分材料属性，接着进行加载，并进行定义边界条件，然后求解，查看结果。[0006]步骤四：FDM型3D打印机工艺参数的优化：
在完成打印机的优化设计之后，对3D 打印机的打印效果进行测试，并在此基础上就对优化后的3D 打印机进行工艺参数和打印件打印质量的影响规律进行研究，通过设计几组不同的正交实验加以分析论证得到工艺参数对打印精度的影响规律，然后确定合理的工艺参数。
[0007]作为优选，所述步骤一中原理性误差包括CAD模型拟合误差、分层切片误差、成型机器误差。
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说 明 书
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作为优选，所述步骤一中成型加工误差包括材料性能误差与工艺参数误差。
[0009]作为优选，所述后期处理误差包括表面后处理误差与去支撑导致误差。[0010]与现有技术相比，本发明的有益效果为：
一、系统分析了熔融沉积成型原理性误差、成型加工误差和后处理误差的主要影响因素；利用ANSYS有限元分析软件，建立熔融沉积成型过程的温度场和应力场分析模型，模拟得到了关键节点温度和应力随时间变化、温度梯度和应力分布规律。分析对温度场和应力场有影响的相关因素。利用 ANSYS 温度场仿真软件对 FDM 型 3D 打印机喷头三维模型进行温度场仿真，得出 3D 打印机喷头的温度场分布。[0011]二、根据温度场仿真结果，为喷头结构进行优化设计，进而提高 FDM 型 3D 打印机的打印连续性、效率以及打印工件的表面质量。并对打印参数进行优化设计，以提高成型精度。
附图说明
[0012]为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。[0013]图1为本发明中FDM型3D打印机精度分析的流程图；
图2为本发明中FDM型3D打印机有限元模拟及分析的流程图；
图3为本发明中FDM型3D打印机打印头温度场分析及结构优化的流程图。
具体实施方式
[0014]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0015]在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
[0016]本具体实施方式采用以下技术方案：它的方法如下：
如图1所示，步骤一：FDM型3D打印机精度分析：依据熔融沉积成型技术的成型过程，按照误差产生的来源，将影响熔融沉积成型制件的误差主要分为三类：原理性误差、成型加工误差以及后处理误差；从原理性误差、成型加工误差及后处理过程中误差三个角度，仔细的分析了成型过程中各个环节影响成型精度因素并给出相应的解决措施，为之后的实验和研究提供理论指导；
如图2所示，步骤二：FDM型3D打印机有限元模拟及分析：通过ANSYS软件输入定义模型参数材料属性，接着建立有限元模型网格划分，激活一个单元后施加温度载荷边界调节，然后进行求解，确定单元是否全部激活，否时则再次进入激活一个单元，是则输出结果并进行转换单元类型定义材料属性，然后再次激活一个单元，读取温度数据加载后进行求解，确定单元是否全部激活，否则返回激活一个单元，是则输出结果。
[0017]ANSYS是一个大型通用的有限元分析软件，为研究动态变化的场的问题提供了支
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说 明 书
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撑，在结构、热、流体、电磁等各个领域的仿真分析中得到很好的应用。运用ANSYS的单元格生死技术可以实现材料动态堆积过程的模拟，而有限元后处理程序可以直观看到成型过程中瞬时温度场和应力场的变化规律，认识制件翘曲变形的产生过程，以及各个成型工艺参数对制件温度场和应力应变场的影响。因此，对成型过程进行有限元分析，对合理确定工艺参数，减小翘曲变形，提高成型件成型精度具有重要意义。[0018]如图3所示，步骤三：FDM型3D打印机打印头温度场分析及结构优化：
利用ANSYS 软件导入模型数据，接着选择单元类型并定义材料属性，划分材料属性，接着进行加载，并进行定义边界条件，然后求解，查看结果。[0019]利用 ANSYS 软件模拟了喷头的温度场分布，以及打印材料的温度场分布与应变分布。根据模拟温度场的数据结果分析，对打印机喷头喷嘴的结构、打印头的材料及长度、加热快的形状大小及位置、以及散热装置进行优化设计，使优化后的喷头结构能有效改善喷头出现堵料问题，提高成型件的精度。[0020]步骤四：FDM型3D打印机工艺参数的优化：
在完成打印机的优化设计之后，对3D 打印机的打印效果进行测试，并在此基础上就对优化后的3D 打印机进行工艺参数和打印件打印质量的影响规律进行研究，通过设计几组不同的正交实验加以分析论证得到工艺参数对打印精度的影响规律，然后确定合理的工艺参数。
[0021]进一步的，所述步骤一中原理性误差包括CAD模型拟合误差、分层切片误差、成型机器误差。
[0022]进一步的，所述步骤一中成型加工误差包括材料性能误差与工艺参数误差。[0023]进一步的，所述后期处理误差包括表面后处理误差与去支撑导致误差。[0024]本具体实施方式主要是对以PLA作为成型材料的FDM设备展开研究，在理论分析的基础上，通过数值模拟和工艺参数优化，提高制件的成型精度。系统分析了熔融沉积成型原理性误差、成型加工误差和后处理误差的主要影响因素；利用ANSYS有限元分析软件，建立熔融沉积成型过程的温度场和应力场分析模型，模拟得到了关键节点温度和应力随时间变化、温度梯度和应力分布规律。分析对温度场和应力场有影响的相关因素。利用 ANSYS 温度场仿真软件对 FDM 型 3D 打印机喷头三维模型进行温度场仿真，得出 3D 打印机喷头的温度场分布。根据温度场仿真结果，为喷头结构进行优化设计，进而提高 FDM 型 3D 打印机的打印连续性、效率以及打印工件的表面质量。并对打印参数进行优化设计，以提高成型精度。
[0025]对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。[0026]此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
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说 明 书 附 图
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说 明 书 附 图
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