PLA材料在熔融沉积过程中的温度场分析VIP

PLAPLA材料在熔融沉积过程中的温度场分析材料在熔融沉积过程中的温度场分析 材料在熔融沉积过程中的温度场分析 魏士皓 屠晓伟 杨庆华 任 彬 上海大学机电工程与自动化学院 上海 摘 要 采用有限元的方法进行 打印过程的模拟 建立了熔融沉积成 型 有限元仿真模型 对 材料在 成型过程中进行 了温度场分析 得到了在不同方向 不同时间的温度变化曲线 温度 的变化对成型件的精度有重要影响 关键词 熔融沉积成型 温度场 数值模拟 打印技术包括材料制造 软件工程和控制技术 而熔融沉积 成型技术是 打印技术中非常重要的一种打印方式 熔融 沉积成型技术是先从计算机中得到能被 打印机识别的数字文件 然后打印材料在挤出机中加热至熔融态后挤出 根据模型的打印路径 堆积成实体模型的过程 熔融沉积成型过程如图 所示 在 此过程中有很多因素影响最终实体模型的精度 如材料温度 打印速 度 喷头内的压力等 在沉积成型过程中 材料是从熔融态凝固成固 态 温度下降将会导致材料收缩造成打印模型的精度下降 因此 温度 决定了模型的精度 材料具有优良的生物相容性 较好的力学 性能和可降解性 因其热力学特性非常符合 技术对材料的要求 因此 材料通常被用于产品原型制作 模具制造等方面 目前 国内对于熔融沉积打印方式的研究大部分是采用 材 料进行仿真模拟 如乔女 使用 软件对 的 打 印过程进行了温度场分析 并进行了不同成型室温度下的打印件精度 的比较 高金岭 对打印喷头的温度场进行了模拟 以及对 材料的热应力场进行了分析和验证 实现了对打印平台的优化 屈晨 光等人 对环境温度对于 材料成型精度进行了研究 得出了 成型室温度越高 成型件越好 金泽枫等人 对在 过程中 材料的工艺性能进行了研究 得出了打印温度对制品性能存在最 佳值 但并未得出在打印过程中成型室温度的变化对成型件的影响 唐鹿 对 材料在 打印过程中的研究进行了综述 介绍了 的材料性能等 张宝庆等人 对打印速度对成型件精度进行 了模拟与研究 得出了一个最佳打印速度 但并未考虑温度变化的影 响 以上工作只是针对 材料进行研究 或对 材料在 过程中的性能变化进行分析 或对影响 打印精度的某一方面进 行介绍 但 材料作为 过程中重要的耗材之一 同时由于 材料在打印过程中不需要加热板 因此根据热胀冷缩原理 在 打印过程中 温度的骤变会导致成型 国家自然科学基金资助项 目 香江学者计划资助项目 件发生翘边 变形等问题 影响打印件质量 本文采用有限元数值模 拟方法 建立了 材料在 过程中的温度场的热力学分析 根据材料的参数属性 重点分析了在成型过程中的温度变化 进行了 实物验证 得出了温度骤变是影响模型精度的重要因素 热力学原理熔融沉积成型过程的温度场模拟属于非线性瞬态热分析 的问题 根据傅里叶传热定律和能量守恒定律 可以建立热量平衡方 程 即温度 满足公式 式中 是材料的密度 是材料的比热容 是温度 是时间 分别是材 料沿 方向上的热传导系数 对于瞬态温度场 的求解 需要给出一定的初始条件和边界条件 假设最开始的温度是 则初始条件为 由于在成 型过程中 热对流是模型与外界主要的热传递方式 边界条件如式 式中 是周围环境介质与物体在接触面产生的对流系数 是边界面在 三个方向上的外 法线方向余弦 是物体周围环境温度 是物体表面的温度 是丝材截面面积 此处是 是丝材截面周长 此处 是 边界条件如式 所示 式中 是初始时间时的温度 是最终时间时的温度 打印机的喷头温度对于模型的成 型过程有很重要的影响 考虑到在打印过程中 温度是可控的 因此 可以将热源设置成恒温源 设热源温度为 满足下式 熔融沉积成型过程中材料由熔融态变为固态会产生相变潜 热 因此产生的潜热是一个不可忽视的因素 一般处理相变潜热的方 法有等温法和比热容突变法 比热容突变法是以比热容在熔化 范围内的突变来将潜热的作用替代 因此需引入焓值的概念 焓值 的单位一般是 可以采用公式 进行描述 式中 是不同时间下的比热容 在 成型过程中 打印头是通过逐层扫掠的方式进行堆积的 因此打印方 式有很多种 只要最终能将整个图形扫掠完 本文结合 打印 机的打印路径 采用了 型的打印方式进行堆积 扫掠路径如图 所 示 成型过程是一个动态的过程 因此需采用 生死单元 进行成型 过程的模拟 当打印到某一位置时激活该位置的模型 还没有打印到 的位置则为 死 采用该种方式 可以有效模拟 打印过程 温度场的有限元模型在进行温度场分析时 需要考虑 材料的相 关热属性 经资料查找 材料的物性参数如表 所示 表 材料的物性参数参数数值密度 比热 容 热传导系数 玻璃化转化温度 对于三维模型的温度场分析 结合实 际建立了一个如图 所示的三维模型 模型的尺寸是 模型的坐标如图 所示 点为坐标原点 考虑到喷头 出丝宽度 确定每个小单元格的尺寸为 外形是一个小正方体 共划出 个单元 每个小单元可以 理解为一小步 逐 个单元依次激活 当走完 步 就相当于打印完成 仿真结果经过 的计算分析和求解 可以得到相关的温度分 布云图 通过云图可以得到各点的温度变化 在本次分析中打印条件 设置成了打印温度为 室温 打印速度是 打印时间共计 每个单元的激活时间是 在 后模型进入冷却阶段 从图 中可以看出以下特点 在 打印过程中 打印到的部分是 活 的状态 而其他部分是死的状态 图中未显示出处于 死亡 状态的部分 喷头移动到的位置的温 度瞬间升高 在进行第二层或第三层打印过程中 可以看出上一 层的温度一般低于 即玻璃化转化温度 可以保证模型不会由 于底层温度太高造成模型塌陷 打印完的部分 经过热对流 辐 射和热传导 随着时间的增加 温度在下降 但下一层打印的开始 又 将其温度升高 考虑到打印机实际工作情况 以及采用横纵方向 交替打印的方式可以提升成型件的坚固程度 不容易损坏 因此图 中第一层以及图 中第三层沿 轴方向进行打印 图 中第二 层沿 轴方向打印 若只沿一个方向进行层层打印 成型件在使用过 程中容易沿打印方向发生断裂 在打印完成后的冷却过程中可以 看出 与空气接触面积大的侧面温度降低的较快 与空气接触面积小 的中心部分温度下降较慢 但最终物体的温度降低到室温 图 是模型从坐标原点 出发沿 轴方向上的温度变化 从图中可 以看出 在 时 打印喷头移动到第 个单元 处 在 轴上的温度变化是温度不断增高 但第 个单元处温度最高 接近打印喷头温度 图 代表的是模型从坐标原点 出发沿 轴方 向上的温度变化 从图中可以看出 在 时 第一层打印刚结 束 这时温度变化情况是在最后一个单元 处 的附近温度 逐渐升高 最后一个单元温度是 即喷头温度 其他地方的温 度由于热传导 热交换等因素 散热至室温 图 代表的是模型 从坐标原点 出发沿 轴方向上的温度变化 从图中可以看出 在 时 即在第三层刚开始打印的时候 第一层温度最低 随着层数 的增加 温度在升高 第三层处 温度达到最高 即喷头的 温度 图 代表的是原点坐标 处的单元随着时间变化而产 生的温度变化 从图中可以看出温度在不断变化 由于采用 型打印 方式 所以在很短的时间间隔内 打印喷头会移动到坐标原点 的位 置附近 温度变化曲线会出现两个峰值 同时 由于打印层数的增加 在后续的过程中温度还会升高 但层数增加至一定数量 原点坐标 处的单元温度变化会越来越小 试验验证为了更好地验证 材料在打印过程中温度骤变对模型 造成的影响 本文采用 系列的热像仪 对图 的模型在打印过程中的温度进行了测量 模型的尺寸是 图 是不同打印时间以及温度冷却时的温度图 最终成型的模型如图 所示 从图 中可以看出 耗材从 的打印喷头挤出后 温度立即下降到 左右 由此可以得出 耗材 在打印过程中经历了温度骤变 从 图中可以看出在冷却过程 中的模型温度场变化不均匀 从图 可以看出模型发生了变形问题 在没有发生翘曲变形的区域与底层支撑有一定粘着力 a x轴方 向打印的温度测量 b y轴方向打印的温度测量 c 冷却过程中的 温度测量84 1 12 7 113 8 14 4 28 5 19 1 图10打印过程中 的温度变化 结语本文在充分考虑了材料的自身属性及热力学参数的影响下 进行 了 材料在熔融沉积成型过程中的温度场变化的仿真实验 本文 建立了三维温度场分析的有限元模型 通过仿真模拟得到了在不同方 向上的温度变化 本文利用生死单元技术 模拟了 打印过程 解 决了 打印过程仿真的问题 从分析结果来看具有以下特点 温度场对于材料产生翘边 变形等影响打印质量的问题有着重要影 响 温度变化太过剧烈 会导致材料凝结过快 残存热应力易产生拔丝 分层等现象 从温度场仿真以及实物验证中可以看出 模型整 体受热不均 特别是在 轴方向上温度变化剧烈 因此在以后打印过 程中注意将 轴作为基准面 以及增加底部支撑能减小变形量 为保证成型质量 尽可能提高成型室温度 但不宜过高 通过对 材料在 打印过程中的温度场分析 后续可以对温度场进行应力分 析 实现温度变化导致模型的变形情况 最终得出最优的打印参数 提 高打印件的质量 参考文献 张宝庆 潘建超 孟凡越 等 打印 速度对成型精度影响的有限元模拟与研究 长春理工大学报 自 然科学版 屈晨光 张师军 高 达利 等 环境温度对 打印成型精度的影响 塑料工业 金泽枫 金杨福 周密 等 基于 聚乳酸 打印材料的工艺性能研究 塑料工业 李锋 潘亚嘉 曾善文 等 挤出式 打印 支撑结构研究 制造技术与机床 齐再前 徐梁华 聚乳酸合成及其共聚物在可降解骨材料领域的应用 材料导报 唐鹿 打印聚 乳酸热塑挤压成型材料的研究及应用 工程塑料应用 乔女 基于 的 材料 打印温度场有限元分析 航空精密制造技术 高金岭 快速成型机温度场 及应力场的数值模拟仿真 哈尔滨 哈尔滨工业大学 阶梯圆环盘横向弯曲振动特性研究 肖龙勇 祝锡晶 马传杰 丁 磊 中北大学山西省先进制造技术重点实验室 山西太原 摘 要 超声振动珩磨设备的核心是超声珩磨谐振系统 而超声珩磨谐振 系统的核心元件之一便是弯曲振动圆盘 因此对其作横向弯曲振动分 析对于超声珩磨谐振系统的设计显得尤为重要 弯曲振动圆盘可视为 阶梯圆环盘结构 基于 中厚板理论 根据阶梯圆环盘 的位移 转角 弯矩和剪力的连续性条件和边界条件 建立了阶梯圆 环盘的横向弯曲振动数学模型 推导了其频率方程 并利用 编写了频率方程的求解程序 对比了理论结果与有限元模态分析 结果 表明了理论模型的正确性 为弯曲振动圆盘的设计提供了理论 参考 关键词 阶梯圆环盘 理论 横向弯曲振动 频率 方程 有限元模态 超声振动加工是在工具或者工件 的某一特定的方向施以超声频机械振动来进行加工的一种先进加工 方法 超声振动珩磨加工方法是超声振动加工技术在珩磨中的运用 超声振动珩磨相比于普通珩磨具有珩磨力小 加工温度低 油石不 容易堵塞 加工质量和加工精度高等诸多长处 该加工方法对零部件 的精密加工有