一种直写3D打印中沉积拐角外轮廓的预测方法技术

本发明专利技术公开了一种直写3D打印中沉积拐角外轮廓的预测方法，步骤为：S1、构建直写3D打印过程的三维几何模型，S2、对步骤S1构建的直写3D打印过程的三维几何模型进行网格划分，S3、设置仿真中的墨水材料特性、相分数初始条件、以及模型中各个表面的边界条件和边界初始条件，S4、利用流体体积数值法求解获得沉积拐角的三维图像，S5、调整沉积拐角的三维图像至俯视沉积拐角，进而获得沉积拐角的外轮廓；该预测方法实现了利用仿真的方法预测包括锐角、直角和钝角在内的任意角度的沉积拐角的外轮廓的目的，且与直写3D打印实验对比，预测结果的最大偏差仅为0.4mm，证明了本申请的方法在直写3D打印中沉积拐角外轮廓预测上具有较好的有效性、准确性和实用性。准确性和实用性。准确性和实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种直写3D打印中沉积拐角外轮廓的预测方法


[0001]本专利技术涉及直写3D打印过程的数值仿真
，特别涉及一种直写3D打印中沉积拐角外轮廓的预测方法。

技术介绍

[0002]直写3D打印属于挤出式增材制造技术，是一种极具发展前景的先进制造技术，其最大的优势在于材料的普适性和制造过程的灵活性，可以将多种金属或非金属材料以较低成本和较高精度制造成复杂的三维零件。直写3D打印的工作原理为：首先，将材料制备为具有剪切变稀特性和粘弹特性的浆状或糊状的墨水；然后，利用直写3D打印机将制备的墨水通过喷嘴挤出为连续的细丝；最后，挤出的细丝通过层层堆积成为三维实体零件。
[0003]在直写3D打印过程中，沉积拐角的成形质量极大地影响零件的几何尺寸精度。为了更好地控制直写3D打印制造的零件的几何尺寸精度，数值仿真建模方法被广泛应用于直写3D打印过程的分析。例如，Tu等人提供了一种利用数值仿真预测直写3D打印中挤出细丝在空气中的形貌的方法(Y.Tu,A.Hassan,J.A.Arrieta
‑
Escobar,et al.,Modeling and evaluation of freeform extruded filament based on numerical simulation method for direct ink writing,The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 120(5)(2022)3821r/>‑
3829.)；申请号为CN2022104982687的专利技术专利公开了一种基于数值仿真的直写打印中沉积细丝的横截面预测方法；Comminal等人利用数值仿真构建了挤出式3D打印中沉积拐角的模型(R.Comminal,M.P.Serdeczny,D.B.Pedersen,et al.Motion planning and numerical simulation of material deposition at corners in extrusion additive manufacturing,Additive Manufacturing 29(2019)100753.)。
[0004]然而，上述现有的针对直写3D打印中沉积拐角的数值仿真建模与预测方法只能构建角度小于90
°
的小角度沉积拐角的模型，存在着无法预测任意角度沉积拐角的缺陷。因此，为了克服现有技术的缺陷，需要提供一种改进的能预测任意角度的直写3D打印中沉积拐角外轮廓的数值仿真方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种能够准确预测直写3D打印中具有任意角度的沉积拐角外轮廓的直写3D打印中沉积拐角外轮廓的预测方法。
[0006]为此，本专利技术技术方案如下：
[0007]一种直写3D打印中沉积拐角外轮廓的预测方法，步骤如下：
[0008]1、一种直写3D打印中沉积拐角外轮廓的预测方法，其特征在于，步骤如下：
[0009]S1、构建直写打印过程的三维几何模型，其由第一计算区域和第二计算区域构成；其中，第一计算区域的外轮廓为一个三维长方体，其顶面、背面、以及左侧面和右侧面为空气边界面，其前面为第一结合面，其底面为第一沉积基板面；自三维长方体的一侧顶面竖直向下设置有圆柱形盲孔，且圆柱形盲孔的直径等于直写3D打印机中的喷嘴外径，圆柱形盲
孔的内侧面为喷嘴外表面；在圆柱形盲孔内居中设置有一圆柱形凸台，且圆柱形凸台的直径等于喷嘴的内径，圆柱形凸台的顶面与三维长方体的顶面齐平、底面与盲孔的底面齐平，圆柱形凸台的顶面为喷嘴入口面，圆柱形凸台的外侧面为喷嘴内表面；位于圆柱形盲孔的内侧面与圆柱形凸台的外侧面之间的圆柱形盲孔的环形底面为喷嘴底面；第二计算区域为一与第一计算区域的外轮廓一致的三维长方体，其前面、顶面、左侧面和右侧面为空气边界面，其背面为第二结合面，其底面为第二沉积基板面；第二结合面与第一结合面完全重合；
[0010]S2、对步骤S1构建的直写打印过程的三维几何模型进行网格划分，其原则为：1)自喷嘴内表面至喷嘴内部形成的与喷嘴内径一致的圆柱形区域内、以及自喷嘴底面至其在第一沉积基板面投影面之间形成的外径与喷嘴外径一致的圆柱形区域内均划分有密度最大网格；2)以喷嘴底面所在水平截面为分界面，其下部区域划分的网格比其上部区域划分的网格密集；
[0011]S3、设置仿真中的墨水材料特性、相分数初始条件、以及各个表面的边界条件和边界初始条件；其中，
[0012](1)墨水材料特性包括密度ρ、表面张力系数σ和粘度μ；
[0013](2)相分数初始条件为：自喷嘴内表面至喷嘴内部区域(即圆柱形凸台所在区域)相分数为1，其他区域的相分数为0；
[0014](3)各个表面的边界条件和边界初始条件为：
[0015]①
设置喷嘴入口面的边界类型为入口边界，边界条件包括：压力为零梯度压力，速度恒定；边界初始条件为：初始压力为0MPa，初始速度为喷嘴入口的墨水速度；
[0016]②
设置喷嘴内表面、喷嘴外表面和喷嘴底面的边界类型为无滑移边界，对应无滑移条件；边界条件为无滑移条件，具体为：压力为零梯度压力，速度为速度恒定；边界初始条件为：初始压力为0MPa，初始速度为0mm/s；
[0017]③
设置空气边界面的边界类型为输入输出边界，对应边界条件通过仿真实时计算得到；边界初始条件为：初始压力为0MPa，初始速度为0mm/s；
[0018]④
设置第一沉积基板面的边界类型为无滑移边界，对应无滑移条件，具体为：压力为零梯度压力，速度为速度恒定；边界初始条件为：初始压力为0MPa，初始速度设置为v
n1
，v
n1
的数值等于喷嘴的水平移动速度，v
n1
的方向与第一结合面的夹角为θ/2；
[0019]⑤
设置第二沉积基板面202的边界类型为无滑移边界，对应无滑移条件，具体为：压力为零梯度压力，速度为速度恒定；边界初始条件为：初始压力为0MPa，初始速度设置为v
n2
，v
n2
的数值等于喷嘴的水平移动速度，v
n2
的方向为与v
n1
的夹角为θ，θ为沉积拐角的角度；
[0020]S4、利用流体体积数值法求解获得沉积拐角的三维图像，并输出相应的几何文件；
[0021]S5、将步骤S4得到沉积拐角三维图像的几何文件导入后处理软件中，调整沉积细丝的三维图像至俯视沉积拐角的方式的图像，以获得沉积拐角的外轮廓。
[0022]进一步地，步骤S4的具体方法为：利用流体体积数值法求解每个网格的相分数，并取相分数值为0.5的曲面为沉积细丝的三维形状。
[0023]进一步地，其特征在于，步骤S1～步骤S4采用OpenFORM软件实现。
[0024]进一步地，步骤S本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直写3D打印中沉积拐角外轮廓的预测方法，其特征在于，步骤如下：S1、构建直写3D打印过程的三维几何模型，其由第一计算区域和第二计算区域构成；其中，第一计算区域的外轮廓为一个三维长方体，其顶面、背面、以及左侧面和右侧面为空气边界面，其前面为第一结合面，其底面为第一沉积基板面；自三维长方体的一侧顶面竖直向下设置有圆柱形盲孔，且圆柱形盲孔的直径等于直写3D打印机中的喷嘴外径，圆柱形盲孔的内侧面为喷嘴外表面；在圆柱形盲孔内居中设置有一圆柱形凸台，且圆柱形凸台的直径等于喷嘴的内径，圆柱形凸台的顶面与三维长方体的顶面齐平、底面与盲孔的底面齐平，圆柱形凸台的顶面为喷嘴入口面，圆柱形凸台的外侧面为喷嘴内表面；位于圆柱形盲孔的内侧面与圆柱形凸台的外侧面之间的圆柱形盲孔的环形底面为喷嘴底面；第二计算区域为一与第一计算区域的外轮廓一致的三维长方体，其前面、顶面、左侧面和右侧面为空气边界面，其背面为第二结合面，其底面为第二沉积基板面；第二结合面与第一结合面完全重合；S2、对步骤S1构建的直写打印过程的三维几何模型进行网格划分，其原则为：1)自喷嘴内表面至喷嘴内部形成的与喷嘴内径一致的圆柱形区域内、以及自喷嘴底面至其在第一沉积基板面投影面之间形成的外径与喷嘴外径一致的圆柱形区域内均划分有密度最大网格；2)以喷嘴底面所在水平截面为分界面，其下部区域划分的网格比其上部区域划分的网格密集；S3、设置仿真中的墨水材料特性、相分数初始条件、以及各个表面的边界条件和边界初始条件；其中，(1)墨水材料特性包括密度ρ、表面张力系数σ和粘度μ；(2)相分数初始条件为：自喷嘴内表面至喷嘴内部区域(即圆柱形凸台所在区域)相分数为1，其他区域的相分数为0；(3)各个表面的边界条件和边界初始条件为：
①
设置喷嘴入口面的边界类型为入口边界，边界条件包括：压力为零梯度压力，速度恒定；边界初始条件为：初始压力为0MPa，初始速度为喷嘴入口的墨水速度；
②
设置喷嘴内表面、喷嘴外表面和喷嘴底面...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈张伟，涂勇强，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：