3d打印过程中的传热模拟(附件)
在3D打印过程中丝材经过加热变为半流体状态才能堆叠成形，打印的温度对于丝材的软化至关重要。打印过程很复杂，此次分析只进行喷头的加热模拟。本文先采用solidworks三维建模软件对喷头进行三维建模，然后将.X-T格式的文件导入到ANSYS有限元软件里，接着设置打印过程中的各个参数，最后利用稳态热分析软件对喷头进行打印过程的模拟，分析了打印过程中喷头里的温度场分布，通过改变打印时的隔热膜的高度来对比分析喷头部分以及丝材的温度变化。结果表明隔热膜在距喷嘴零到四毫米之间时喷头的温度场分布比较稳定，且丝材的打印效果很好。关键词 3D打印，传热模拟，温度场分布
目 录
1 3D打印的基本概述 2
1.1引言 2
1.2研究背景 2
1.3 3D打印目前的研究现状 3
1.4 FDM 3D打印喷头的工作原理 4
1.5 3D打印喷头的组成及作用 5
1.6 丝材的选取 6
2 喷头的建模 7
3 ANSYS有限元分析 12
3.1 有限元法简介 12
3.2 ANSYS简介 14
4 ANSYS仿真分析 15
4.1 喷头有限元模型建立以及边界条件设置 15
4.2 进行网格划分以及设置面与面之间的耦合 16
4.3 喷头的有限元分析 16
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 3D打印的基本概述
1.1引言
时代在进步，社会在发展。着也就导致了目前人们生活越来越好，品味也在提升，也就需要更多的物品来满足生活所需。这就一定会使得我们对物品的要求逐渐提高，人们喜欢做工好而且独一无二的东西。这时我们有了3D打印技术，我们想要的很多东西都可以用3D打印来制作。3D打印技术的应用范围特别的的广泛，它应用于医学领域、海军舰艇、建筑设计、航天科技、汽车行业、电子行业、服装服饰等诸多领域。
在20世纪90年代中期，3D打印问世了。它其实是一种运用了光固化以及逐层堆叠技术的快速成型设备。跟平常的打印差不多，3D打印机里面有打印材料大多为液体或者粉末。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
在跟计算机连接之后，通过计算机里的程序将打印的材料逐层堆叠起来，最终得到实体模型，这就叫做3D打印技术。如今在多个领域得到应用，前景广泛。
1.2研究背景
3D打印技术，是在与计算机连接后，通过计算机里的程序利用加热的方式将打印材料变为半流体状态，然后逐层堆叠，等到凝固后变成实体。3D打印跟传统的通过模具还要铣削等操作不一样，3D打印是把物体由三维转换成二维，这样就极大的降低了制造的难度。而且它没有特别复杂的工艺过程，也不需要操作机床，设置计算机里的数据就能得到想要的零件，这样一来3D打印就广泛的应用了起来。在我们平时的生活里，普通的打印机可以打印二维的物体，然而3D打印就不一样了，它们有着相似的原理，可是打印材料却不同。普通打印机用的是墨水和纸，3D打印机用的材料可以用金属、塑料等。并在计算机的控制下打印出三维模型。简单来说，3D打印机是是能打印出实体模型的机器，主要是因为它的原理跟普通打印机类似，因此被称为3D打印，也叫做立体打印技术。3D打印一开始是用在模具制造还有工业设计等领域，后来渐渐的用来直接制造实物，很多零部件都是3D打印而成的。现在3D打印技术在很多领域应用都十分广泛，例如航天航空、服装设计、建筑工程医学领域等。然而在打印过程中存在很多问题，喷头的传热问题目前仍是一个难题。本课题的目的是通过运用所学的相关知识对3D打印过程中的传热进行数值模拟，阐明温度变化规律。
1.3 3D打印目前的研究现状
按照打印的材料的状态还有成形的方法来看，3D打印技术大致分为以下几类：光固化立体成形（Stereo Lithography Apparatus,SLA）、熔融沉积成形技术（Fused Deposition Modeling,FDM）、电子束选区熔化（Electron Beam Melting,EBM）、分层实体制造（Laminated Object Manufacturing,LOM）、激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）、金属激光熔融沉积（Laser Direct Melting Deposition,LDMD）、电子束熔丝沉积成形（Electron Beam Freeform Fabrication,EBF）。
在过去的十几年里，3D打印技术发展的很快，有着非常可观的进步，已经可以在0.01mm的厚度上拥有600dpi的分辨率了。现在在国际上有可以实现24位色彩的打印而且每小时的垂直速率为25mm。
在全世界的3D打印机行业，占据市场绝大多数的则是美国的3D Systems公司以及Stratasys公司。除此之外美国的SHAPEWAYS和英国的REPRAP团队在3D打印领域也有很强的实力以及其自身的特色。
美国的3D打印巨头公司在二零零一年十一月收购了ZCorporation公司，这也奠定了它在3D打印领域的霸主地位。继二零零一年五月收购了Solidscape公司后，在二零一二年四月其又与以色列的Objet合并。现在3D打印机制造业正在崛起。在欧美等发达国家，3D打印技术已经有了一个初步的商业模式。在诸多领域，3D打印技术可以生产复杂的零件以低成本和高效率。每年3D打印技术带来的消费都高达几千万美元。
在国内，自1990年以来很多的高等院校都对3D打印方面做了很多的研究。比如说清华大学的现代成型学理论，还有它的FDM工艺以及研发的分层实体制造都很出名；西安的交通大学已经有了打印精度在0.2mm的喷头；中科大也研发了八喷头的组合的喷射打印装置。就实际情况来说，我们跟欧美发达国家相比差距还是很大的。最近这几年，也有一些由海归人才自己组建的小规模的企业，技术方面跟国外也比不了，国产的3D打印机打印的速度还有精度目前还满足不了商用，还需要提高技术水平。除了商业领域还有服务领域，东部沿海地区的发达城市很多企业都在用进口的3D打印机形成了一个商业化的服务领域。港台地区的3D打印技术相比国内起步要早很多，但是他们没有自己研发的东西，只是用国外的3D打印技术。三十几年来FDM3D打印技术在打印设备方面不断的发展，技术是越来越成熟了，一直在不断的完善打印的设备，现在主要研究的是怎么样在保证有一定的打印的精度和打印效率的前提下来降低打印的成本。主要是因为3D打印设备的价格跨度很大，从几千块到几十万的都有，且一分价钱一分货，，越贵的打印设备它的打印精度还有效率越好。因此才要想办法减少成本，这样才能为人们所接受。在2012年3月，超大型的快速成型系统Fortus900mc由美国的Stratasys公司发布，它的打印误差仅为每毫米0.0015~0.089mm，打印层最小厚度为0.178mm；国内的原清华大学的快速成形技术的企业殷华（现在的太尔时代）也研发了inspire系列的工业级3D打印机以及UP系列的桌面级3D打印机，都是FDM 3D打印机。然而目前的FDM 3D打印机的缺点也很明显，一时成型精度与打印的效率呈反比，二是控制系统智能化水平过低，第三则是打印材料的限制比较大。但是凭着3D打印技术的日益完善，以及更多的信息技术、材料技术、控制技术等在制造领域的应用，整个3D打印行业都将走向更广阔的舞台，未来FDM 3D打印技术将会更加的智能化以及通用化。
目 录
1 3D打印的基本概述 2
1.1引言 2
1.2研究背景 2
1.3 3D打印目前的研究现状 3
1.4 FDM 3D打印喷头的工作原理 4
1.5 3D打印喷头的组成及作用 5
1.6 丝材的选取 6
2 喷头的建模 7
3 ANSYS有限元分析 12
3.1 有限元法简介 12
3.2 ANSYS简介 14
4 ANSYS仿真分析 15
4.1 喷头有限元模型建立以及边界条件设置 15
4.2 进行网格划分以及设置面与面之间的耦合 16
4.3 喷头的有限元分析 16
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 3D打印的基本概述
1.1引言
时代在进步，社会在发展。着也就导致了目前人们生活越来越好，品味也在提升，也就需要更多的物品来满足生活所需。这就一定会使得我们对物品的要求逐渐提高，人们喜欢做工好而且独一无二的东西。这时我们有了3D打印技术，我们想要的很多东西都可以用3D打印来制作。3D打印技术的应用范围特别的的广泛，它应用于医学领域、海军舰艇、建筑设计、航天科技、汽车行业、电子行业、服装服饰等诸多领域。
在20世纪90年代中期，3D打印问世了。它其实是一种运用了光固化以及逐层堆叠技术的快速成型设备。跟平常的打印差不多，3D打印机里面有打印材料大多为液体或者粉末。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
在跟计算机连接之后，通过计算机里的程序将打印的材料逐层堆叠起来，最终得到实体模型，这就叫做3D打印技术。如今在多个领域得到应用，前景广泛。
1.2研究背景
3D打印技术，是在与计算机连接后，通过计算机里的程序利用加热的方式将打印材料变为半流体状态，然后逐层堆叠，等到凝固后变成实体。3D打印跟传统的通过模具还要铣削等操作不一样，3D打印是把物体由三维转换成二维，这样就极大的降低了制造的难度。而且它没有特别复杂的工艺过程，也不需要操作机床，设置计算机里的数据就能得到想要的零件，这样一来3D打印就广泛的应用了起来。在我们平时的生活里，普通的打印机可以打印二维的物体，然而3D打印就不一样了，它们有着相似的原理，可是打印材料却不同。普通打印机用的是墨水和纸，3D打印机用的材料可以用金属、塑料等。并在计算机的控制下打印出三维模型。简单来说，3D打印机是是能打印出实体模型的机器，主要是因为它的原理跟普通打印机类似，因此被称为3D打印，也叫做立体打印技术。3D打印一开始是用在模具制造还有工业设计等领域，后来渐渐的用来直接制造实物，很多零部件都是3D打印而成的。现在3D打印技术在很多领域应用都十分广泛，例如航天航空、服装设计、建筑工程医学领域等。然而在打印过程中存在很多问题，喷头的传热问题目前仍是一个难题。本课题的目的是通过运用所学的相关知识对3D打印过程中的传热进行数值模拟，阐明温度变化规律。
1.3 3D打印目前的研究现状
按照打印的材料的状态还有成形的方法来看，3D打印技术大致分为以下几类：光固化立体成形（Stereo Lithography Apparatus,SLA）、熔融沉积成形技术（Fused Deposition Modeling,FDM）、电子束选区熔化（Electron Beam Melting,EBM）、分层实体制造（Laminated Object Manufacturing,LOM）、激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）、金属激光熔融沉积（Laser Direct Melting Deposition,LDMD）、电子束熔丝沉积成形（Electron Beam Freeform Fabrication,EBF）。
在过去的十几年里，3D打印技术发展的很快，有着非常可观的进步，已经可以在0.01mm的厚度上拥有600dpi的分辨率了。现在在国际上有可以实现24位色彩的打印而且每小时的垂直速率为25mm。
在全世界的3D打印机行业，占据市场绝大多数的则是美国的3D Systems公司以及Stratasys公司。除此之外美国的SHAPEWAYS和英国的REPRAP团队在3D打印领域也有很强的实力以及其自身的特色。
美国的3D打印巨头公司在二零零一年十一月收购了ZCorporation公司，这也奠定了它在3D打印领域的霸主地位。继二零零一年五月收购了Solidscape公司后，在二零一二年四月其又与以色列的Objet合并。现在3D打印机制造业正在崛起。在欧美等发达国家，3D打印技术已经有了一个初步的商业模式。在诸多领域，3D打印技术可以生产复杂的零件以低成本和高效率。每年3D打印技术带来的消费都高达几千万美元。
在国内，自1990年以来很多的高等院校都对3D打印方面做了很多的研究。比如说清华大学的现代成型学理论，还有它的FDM工艺以及研发的分层实体制造都很出名；西安的交通大学已经有了打印精度在0.2mm的喷头；中科大也研发了八喷头的组合的喷射打印装置。就实际情况来说，我们跟欧美发达国家相比差距还是很大的。最近这几年，也有一些由海归人才自己组建的小规模的企业，技术方面跟国外也比不了，国产的3D打印机打印的速度还有精度目前还满足不了商用，还需要提高技术水平。除了商业领域还有服务领域，东部沿海地区的发达城市很多企业都在用进口的3D打印机形成了一个商业化的服务领域。港台地区的3D打印技术相比国内起步要早很多，但是他们没有自己研发的东西，只是用国外的3D打印技术。三十几年来FDM3D打印技术在打印设备方面不断的发展，技术是越来越成熟了，一直在不断的完善打印的设备，现在主要研究的是怎么样在保证有一定的打印的精度和打印效率的前提下来降低打印的成本。主要是因为3D打印设备的价格跨度很大，从几千块到几十万的都有，且一分价钱一分货，，越贵的打印设备它的打印精度还有效率越好。因此才要想办法减少成本，这样才能为人们所接受。在2012年3月，超大型的快速成型系统Fortus900mc由美国的Stratasys公司发布，它的打印误差仅为每毫米0.0015~0.089mm，打印层最小厚度为0.178mm；国内的原清华大学的快速成形技术的企业殷华（现在的太尔时代）也研发了inspire系列的工业级3D打印机以及UP系列的桌面级3D打印机，都是FDM 3D打印机。然而目前的FDM 3D打印机的缺点也很明显，一时成型精度与打印的效率呈反比，二是控制系统智能化水平过低，第三则是打印材料的限制比较大。但是凭着3D打印技术的日益完善，以及更多的信息技术、材料技术、控制技术等在制造领域的应用，整个3D打印行业都将走向更广阔的舞台，未来FDM 3D打印技术将会更加的智能化以及通用化。
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