一种基于ANSYS的FDM型3D打印过程的动态仿真方法技术

本发明专利技术提出一种基于ANSYS的FDM型3D打印过程的动态仿真方法，包括步骤：S1，建立有限元模型模块，S2：建立丝材模态转换模块；S3：建立动态移动喷头模块为每一局部坐标系建立仿真喷头模型；S4：建立生死单元模块，模拟3D打印过程中丝材的熔融堆积；S5：进行温度场及热应力传递模块参数化的动态仿真，通过仿真结果云图分析成型件质量问题，修改打印参数进行仿真确定较优打印方式；S6：将3D打印机参数调整为较优的打印方式，使用FDM型3D打印动态仿真进行仿真验证。使用本方法进行仿真打印时，仿真精度较高，便于实际实验对比分析与提升成型件质量的分析。

【技术实现步骤摘要】
一种基于ANSYS的FDM型3D打印过程的动态仿真方法
：本专利技术涉及3D打印技术成型过程中的热力耦合领域和ANSYS软件的参数化仿真邻域，属于热力学、3D打印和参数化仿真的交叉领域。具体涉及一种基于ANSYS的FDM型3D打印过程的动态仿真方法。
技术介绍
：熔融沉积成型技术因为其制造效率高、操作简单和适用范围广等特点成为如今3D打印技术中最具有生命力，发展最快的一种技术。3D打印过程的参数化仿真对3D打印成型件精度提高、实验过程简化、打印过程问题分析等方面具有重要的指导意义。主要表现为以下几点：①利用仿真分析代替部分重复的基础性实验达到减少实验耗材，加快实验数据获取速度和降低实验数据获取难度的。②通过仿真分析找出当前实验参数下，实验对象存在的质量问题。③实验参数化分析可以通过参数修改直接对仿真模型进行改进的二次实验，避免模型重建，方便进行交叉实验和单变量或多变量的对照实验，有效减少实验步骤达到简化实验的作用。现在已经有许多学者为高效进行3D打印设备或成型件质量优化对3D打印过程进行仿真分析的研究，提出了各种仿真方法的方案，对仿真过程的准确性和与实际打印过程的一致性进行了优化。影响3D打印过程准确性与一致性的重要因素有打印喷头的温度场、材料堆积过程等。打印喷头的温度场对于热传导、热对流和热辐射的准确性会直接影响仿真分析最后成型件热性能与实际的一致性。若打印喷头的温度场存在较大偏差则会导致仿真中成型件的热应力堆积或膨胀翘曲程度与实际不符，加大实际实验的难度和无法正确进行成型件优化和打印机的改进。材料堆积过程包含了材料模态转换、热物性变化和热传递，若在材料堆积过程仿真不够精确，在进入实际实验分析时容易出现材料焓值堆积过大和黏连性不足等导致实际实验成型件质量差影响实际实验数据的有效性。如今也有许多参数化仿真运用到3D打印过程的模拟中，使用参数化仿真的优点是可以有效的修改模型各类参数到达减少模型建立的次数和建立不同条件下与实际打印相符的动态仿真过程。正因如此，利用参数化语言建立3D打印过程的动态仿真成为热门话题。但是参数化语言建立3D打印过程的动态仿真也还存在可以改进的地方，参数化语言存在如C语言、VB语言、APDL语言等；可以进行3D打印过程仿真的平台存在SolidWorks、UnigraphicsNX、ANSYS等，不同参数化语言在热力学和3D打印过程的实现复杂性与准确性存在区别。动态打印过程材料堆积的实现方式以及热传递的实现方式还不够全面，对于以沉积成型的成型件的热分析不足和材料不同温度下热物性变化的分析不足导致成型件在参数化仿真过程中存在热应力分析不到位，材料部分热物性缺失，成型过程热传递分析不充分等问题，大大降低了仿真实验的准确性和与实际实验的一致性，使仿真实验对于实际实验的指导意义下降，在成型件质量优化方面的正确性下降。
技术实现思路
：为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于ANSYS的FDM型3D打印过程的动态仿真方法，其是一种利用APDL参数化语言和丝材热物性建立FDM型3D打印的动态仿真过程。本专利技术可以发现当前打印参数下，成型件的传热相关问题；可以分辨FDM型3D打印过程中出现的温度梯度变化和较大热应力集中点；可以对3D打印成型件进行整体的温度场和应力场分析，进而得出需改进打印参数的位置和值。同时采用APDL语言作为开放仿真方法用户还可以自行设定3D打印参数分析相应条件下的打印问题。为实现上述技术目的，本专利技术所述基于ANSYS的FDM型3D打印过程的动态仿真方法主要包括以下具体步骤：S1：建立有限元模型模块，为3D打印过程的动态仿真提供模型数据；S2：建立丝材模态转换模块，用于3D打印过程的动态仿真中的模型材料动态变化；S3：建立动态移动喷头模块为每一局部坐标系建立仿真喷头模型；S4：建立生死单元模块，使有限元模型模块的单元拥有“杀死单元”、“激活单元”两种形态，用于模拟3D打印过程中丝材的熔融堆积；S5：进行温度场及热应力传递模块参数化的动态仿真，通过仿真结果云图分析成型件质量问题，修改打印参数进行仿真确定较优打印方式；S6：将3D打印机参数调整为较优的打印方式，使用FDM型3D打印动态仿真进行仿真验证。其中，有限元模型建立模块：该模块分为仿真条件设定和有限元模型，有限元模型包含成型件模型、网格划分模型、环境条件模型。仿真条件设定首先设定结果集中载荷步的步数、结果集中包含几何结构的信息、处理器个数，以避免仿真结果不能收敛时仿真运算无限循环并设定求解器中缓存数量增加动态仿真方法的存储个数。有限元模型的成型件模型使用单元类型为solid70的实体长方体，长方体具有长、宽、高、节点位置等属性并依照长方体建立局部坐标系。局部坐标系包含喷头位置、喷头速度、生死单元、喷头移动方向等参数，网格划分模型按照打印路径进行分割为数个打印路径的长方体，并对整体成型件模型划分为尺寸0.003m的正六面体单元，每个正六面体具有坐标位置、时间、温度、热物性等属性。环境条件模型包含环境温度、加热底板温度、环境传热特性参数、加热底板传热特性参数。环境指成型件打印过程中需要接触的空气和底板。丝材模态装换模块：通过ANSYS中材料参数的设定，分别将材料的弹性模量、屈服模量、屈服后弹、比热容、热涨系数、泊松比、导热系数、密度等材料热物性在不同温度条件下的值赋予打印模型。建立三维瞬态热传递微分方程作为热传递表达式对打印过程中接触的各个单元进行热传导和热量的迭代。因为成型件在打印过程中，温度变化会引起打印材料的模态变化，使用显热熔法模拟材料的模态变化。三维瞬态热传递微分方程包含单元体积热生成率、单元密度、单元相变潜热、单元比热容、单元液相率、丝材各轴向热传导系数和单元材料模态形态(玻璃态-高弹态-熔融态)等属性。显热熔法包含单元显热热容，打印材料的玻璃态比热和熔融态比热值与打印材料高弹态阈值温度与熔融态阈值温度等属性。生死单元模块：在仿真开始前，将成型件模型各个单元的温度、质量、体积、导热系数等进行缩小至原参数的1e-8倍大小，将这部分单元作为“杀死单元”。打印模型开始时按照成型件的打印路径依次一个个单元进行激活，恢复其参数为原参数进行传热和显热熔积累，这部分单元为“激活单元”，成型件在打印过程中所有的“杀死单元”转变为“激活单元”的过程模拟FDM型3D打印的丝材熔融堆积过程。动态移动喷头模块：使用高斯热源公式为的高斯热源为喷头热源模型，其中q为坐标点热量值，Qm为热源中心最大热量值，X为坐标点x轴坐标值，Y为坐标点y轴坐标值，Z为坐标点z轴坐标值，r为高斯热源半径值，热源的热量分布在X-Y平面、X-Z平面、Y-Z平面都符合高斯曲线，若平面坐标系原点为热源中心，则原点处为高斯曲线中点，热量最大，平面坐标系两端热量按高斯曲线下降，高低呈钟型，边缘低且中间高，喷头覆盖面为圆形。动态移动喷头包含速度、热功率、打印半径等属性，对打印的过程设置时间跟踪，进行打印过程中热量的迭代运算。动态移动喷头的移动过程中坐标位置与“杀死单元”重合时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ANSYS的FDM型3D打印过程的动态仿真方法,其特征在于包括以下步骤：/nS1：建立有限元模型模块，为3D打印过程的动态仿真提供模型数据；/nS2：建立丝材模态转换模块，用于3D打印过程的动态仿真中的模型材料动态变化；/nS3：建立动态移动喷头模块为每一局部坐标系建立仿真喷头模型；/nS4：建立生死单元模块，使有限元模型模块的单元拥有“杀死单元”、“激活单元”两种形态，用于模拟3D打印过程中丝材的熔融堆积；/nS5：进行温度场及热应力传递模块参数化的动态仿真，通过仿真结果云图分析成型件质量问题，修改打印参数进行仿真确定较优打印方式；/nS6：将3D打印机参数调整为较优的打印方式，使用FDM型3D打印动态仿真进行仿真验证。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于ANSYS的FDM型3D打印过程的动态仿真方法,其特征在于包括以下步骤：
S1：建立有限元模型模块，为3D打印过程的动态仿真提供模型数据；
S2：建立丝材模态转换模块，用于3D打印过程的动态仿真中的模型材料动态变化；
S3：建立动态移动喷头模块为每一局部坐标系建立仿真喷头模型；
S4：建立生死单元模块，使有限元模型模块的单元拥有“杀死单元”、“激活单元”两种形态，用于模拟3D打印过程中丝材的熔融堆积；
S5：进行温度场及热应力传递模块参数化的动态仿真，通过仿真结果云图分析成型件质量问题，修改打印参数进行仿真确定较优打印方式；
S6：将3D打印机参数调整为较优的打印方式，使用FDM型3D打印动态仿真进行仿真验证。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述有限元模型模块分为仿真条件设定和有限元模型，有限元模型包含成型件模型、网格划分模型、环境条件模型；
其中，仿真条件设定首先设定结果集中载荷步的步数、结果集中包含几何结构的信息、处理器个数；
成型件模型使用单元类型为solid70的实体长方体并依照长方体建立局部坐标系，局部坐标系包含喷头位置、喷头速度、生死单元和喷头移动方向；网格划分模型按照打印路径进行分割为数个打印路径的长方体，并将整体成型件模型划分为一定尺寸的正六面体单元；环境条件模型包含环境温度、加热底板温度、环境传热特性参数、加热底板传热特性参数。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述丝材模态装换模块：通过ANSYS中材料参数的设定，分别将材料的热物性参数在不同温度条件下的值赋予打印模型；建立三维瞬态热传递微分方程作为热传递表达式对打印过程中接触的各个单元进行热传导和热量的迭代。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述生死单元模块：在仿真开始前，将成型件模型各个单元的温度、质量、体积和导热系数进行缩小至原参数的1e-8倍大...

【专利技术属性】
技术研发人员：史廷春，陈鸿宇，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33