FDM成型过程有限元模拟及工艺参数优化研究

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熔融沉积成型(FDM)技术是近几十年发展起来的增材制造技术。由于其成型材料广泛、成型设备价格低等优点,已成为增材制造技术中一种非常有前景的工艺。但FDM工艺成型件精度较低,是制约着其进一步发展的关键因素。因而,本文从FDM工艺成型件工艺参数为出发点,以期得到工艺参数对成型件精度的影响。首先介绍了FDM成型的基本原理、成型的工艺特点以及工艺过程,随后分析总结了影响FDM成型过程精度的因素,主要有成型系统所导致的误差、CAD模型转化为STL标准格式所导致的误差、材料收缩所引起的误差和工艺参数所引起的误差。其次,研究了FDM成型过程温度场的有限元模拟。先利用APDL语言结合生死单元法建立了FDM成型过程温度场分析模型,模拟得出了FDM成型过程某一时刻、不同时刻温度场特征以及FDM成型过程不同节点温度变化情况和不同填充路径的温度场分析,为FDM成型的工艺过程提供了一定的参考。再次,研究了FDM成型过程应力应变场的有限元模拟。将FDM成型过程中对温度场分析的结果作为应力应变场有限元模拟分析的初始条件,从而得出了同一种扫描填充路径下和不同扫描填充路径下的应力场分析结果以及不同扫描填充路径下应变场模拟结果。最后,研究了基于FDM工艺参数精度预测模型。首先确定影响FDM成型过程的主要工艺参数,基于正交试验法获得不同工艺参数所导致的尺寸精度误差,在此实验样本的基础上建立了基于遗传算法优化BP神经网络来预测模型精度,并将之与BP神经网络预测模型进行了比较,从而验证了模型的可靠性。
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