增材制造作為“第三次工業(yè)革命”中最具有代表性的技術(shù),引發(fā)了產(chǎn)業(yè)鏈的升級(jí),推動(dòng)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。而熔融沉積成型技術(shù)是增材制造工藝中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一,在該技術(shù)中噴頭裝置是核心部件,噴頭裝置的工作性能顯著地影響產(chǎn)品的成型精度和效率。本課題對(duì)熔融沉積成型噴頭內(nèi)的熔體流動(dòng)特性進(jìn)行了仿真模擬和對(duì)整體噴頭裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了流-熱-固耦合分析,根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果對(duì)噴頭裝置的結(jié)構(gòu)制造材料進(jìn)行了組合優(yōu)化,并提出對(duì)噴頭裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方案。該論文的研究成果如下:（1）基于熔融沉積成型技術(shù)原理和噴頭裝置的結(jié)構(gòu),建立了噴頭裝置的三維模型,并對(duì)噴頭模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化;再利用有限元軟件對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件以及材料參數(shù)值的設(shè)置;最后根據(jù)ABS材料的特性用UDF（User-Defined Function）語(yǔ)言開發(fā)了相應(yīng)的材料黏度模型。（2）采用有限元軟件對(duì)噴頭裝置流道內(nèi)的熔體流動(dòng)進(jìn)行仿真計(jì)算,獲得了熔體的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)在流道內(nèi)變化的規(guī)律,并分析了不同進(jìn)絲速度、不同加熱溫度以及不同流道結(jié)構(gòu)參數(shù)值對(duì)熔體流動(dòng)特性的影響。（3）利用有限元軟件對(duì)整體噴頭裝置進(jìn)行流-熱-固耦合仿真模擬,即將熔體流動(dòng)的結(jié)果和噴... 

【文章來(lái)源】：西安理工大學(xué)陜西省

【文章頁(yè)數(shù)】：62 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

噴頭簡(jiǎn)化模型

2噴頭工作原理及模型建立15圖2-7噴頭裝置的網(wǎng)格劃分Fig.2-7Meshgenerationofsprinklersystem2.2.3ABS材料模型建立在FDM噴頭裝置打印過程中，會(huì)涉及到固體ABS材料受熱發(fā)生相變軟化的過程。因此，建立精確的ABS材料流動(dòng)模型，能夠準(zhǔn)確表現(xiàn)熔體流動(dòng)情況，有利于對(duì)噴頭裝置的分析與改進(jìn)提供參考。ABS材料在流道流動(dòng)過程中不僅承受著熔融材料之間的剪切作用和未熔材料對(duì)其的擠壓，還伴隨著材料本身的體積收縮和玻璃化轉(zhuǎn)變的可能性，其成型過程是十分復(fù)雜。建立熔體黏度與壓力、溫度、剪切速率等因素之間的關(guān)系對(duì)于模型求解計(jì)算非常關(guān)鍵。ABS塑料屬于熱固性材料，一般會(huì)考慮采用Cross黏度模型。Cross模型有兩種，一種是Cross-Exp黏度模型，另一種是Cross-WLF黏度模型，這兩種模型都考慮了壓力對(duì)黏度的影響，屬于壓力敏感性模型[41]。并且這兩種模型有效避免了冪率模型的缺陷，不僅可以清晰地表達(dá)出高剪切速率時(shí)材料熔體流變行為，而且可以描述熔體流動(dòng)接近零剪切速率時(shí)的牛頓流變行為。因此，本論文采用的是Cross-WLF黏度模型，具體的公式如（2-1）~（2-4）所示[42-43]。010,,,1nTPTP（2-1）式中：——剪切黏度/Pa·s；0——零剪切黏度/Pa·s；T——溫度/℃；——剪切速率/s-1；P——壓力/Pa；——剪切應(yīng)力/Pa；n——非牛頓指數(shù)。

西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文22其數(shù)值為0.45%。結(jié)果表明，模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)打印出產(chǎn)品結(jié)果的誤差值是控制在10%以內(nèi)。因此，認(rèn)為本文所構(gòu)建的模型可以很好地模擬ABS熔融體流動(dòng)特性，其仿真計(jì)算方法是可行的，結(jié)果值是合理、值得可信的。打印的產(chǎn)品微量天平圖3-1實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品及儀器Fig.3-1Experimentalproductsandinstruments表3-1數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量流量對(duì)比Tab.3-1Numericalsimulationandexperimentalmassflowcomparison模擬出絲速度，mm/s實(shí)際打印產(chǎn)品質(zhì)量，g理論計(jì)算產(chǎn)品質(zhì)量，g誤差值，%19.52.222.210.4518.82.172.122.3017.92.102.033.3317.32.061.964.8516.82.011.905.4716.21.951.845.6415.51.901.795.7914.71.791.676.7014.11.691.605.3213.31.601.515.623.3熔體流動(dòng)仿真模擬分析在fluent軟件中仿真模擬了熔體流動(dòng)的特性，其ABS材料在流道中流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖如圖3-2所示。圖中數(shù)值較低的區(qū)域呈現(xiàn)藍(lán)色，數(shù)值較高的區(qū)域呈現(xiàn)紅色。從圖3-2中可知，ABS材料溫度范圍由25℃變化至240℃，當(dāng)材料處于熔化階段時(shí)，水平截面的ABS材料溫度由內(nèi)部中心向外逐漸升高，軸向截面ABS材料溫度呈階梯式上升，其溫度等溫線逐漸近似“V”型。這是由于ABS材料在流道流動(dòng)中具有一定的速度，但是材料自身的導(dǎo)熱系數(shù)很低，外部施加的熱量不能及時(shí)迅速地傳遞到材料的內(nèi)部當(dāng)中，這才會(huì)引起材料在同一水平位置處內(nèi)部中心點(diǎn)的溫度值低于外側(cè)溫度值。并且當(dāng)ABS材料流至噴

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碩士論文
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