【摘 要】
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熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling,FDM）是3D打印增材制造中应用较为广泛的技术之一,因其具有设备结构简单、材料品种多、制造成本低等优点,应用领域日趋广泛。但由于工艺及设备限制,与传统加工制造技术相比,目前FDM成型件精度普遍不高,成型精度也是制约其快速发展及应用的关键因素。本文针对FDM-3D成型过程中层间温度不平衡导致成型质量不良的问题展开研究,提出优化解决方案
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熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling,FDM）是3D打印增材制造中应用较为广泛的技术之一,因其具有设备结构简单、材料品种多、制造成本低等优点,应用领域日趋广泛。但由于工艺及设备限制,与传统加工制造技术相比,目前FDM成型件精度普遍不高,成型精度也是制约其快速发展及应用的关键因素。本文针对FDM-3D成型过程中层间温度不平衡导致成型质量不良的问题展开研究,提出优化解决方案。基于热传导理论,利用热固耦合、热力耦合、液固耦合原理建立了熔融沉积材料在3D成型过程中的三维瞬态数学模型,采用生死单元技术与间接耦合分析,在ANSYS平台上实现了FDM成型过程的可视化仿真,分析了材料成型过程中的温度场、应力应变场,得到温度梯度分布和应力应变变化规律。通过打印实验对结论进行了验证。针对熔融沉积成型过程中层间温度分布不均匀影响成型精度的问题,建立了熔融过程层变模型,在理论计算和仿真实验的基础上,完成了一种带有层间预热结构的3D打印装置的设计,利用激光对预打印层间区域温度进行预热控制,优化了打印过程中的层间温度分布,提高材料粘接强度,进而提高打印件成型质量。为解决FDM成型过程中工艺参数相互耦合难以优化的问题,针对打印温度、分层厚度以及扫描速度三个主要参数在成型过程中对精度的影响进行了仿真分析,得到影响参数间的耦合规律,利用RSM-GA方法完成了控制参数的全局优化。完成了改进装置与最优参数组合的测试实验,结果表明所设计的预热结构及参数优化方法可以有效提高成型件精度与力学性能。
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