DFD 3D打印機(jī)打印平臺(tái)承重仿真分析

來(lái)源：安世亞太
作者：謝琰軍

DFD-300是杭州德迪智能科技有限公司研發(fā)的一款具備高精度,、高效率,、大尺寸等特點(diǎn)的工業(yè)級(jí)FDM 3D打印設(shè)備,。擁有全鈑金機(jī)身，鋁合金框架，輕量化結(jié)構(gòu),，全封閉降噪，并搭配高精度軸承和滾珠絲桿,，保證設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性,。此外，該設(shè)備還擁有斷電續(xù)打,、缺料檢測(cè),、智能容錯(cuò)檢測(cè)等功能，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定打印,，適用于打印各種大尺寸,、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的手版模型及工業(yè)級(jí)別零件。其中該款打印機(jī)在打印平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中采用有限元仿真分析了不同設(shè)計(jì)方案打印平臺(tái)的最大變形和應(yīng)力情況,，為打印平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的指導(dǎo),。

本期，增材專欄通過DFD打印機(jī)打印平臺(tái)的承重仿真分析來(lái)分享仿真在FDM 3D打印機(jī)各組件的設(shè)計(jì)改進(jìn)過程中所起到的作用,。

結(jié)構(gòu)模型及材料
仿真分析對(duì)打印機(jī)的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化,，只保留了打印平臺(tái)、打印底板和打印平臺(tái)與垂直移動(dòng)絲杠連接的結(jié)構(gòu),，如圖1所示,。打印平臺(tái)設(shè)計(jì)了三種方案進(jìn)行承重仿真對(duì)比分析，所設(shè)計(jì)的三種方案如圖2所示,。

圖1 簡(jiǎn)化后的分析模型

原方案（左）、        優(yōu)化方案1（中）,、 優(yōu)化方案2（右）

圖2 不同的打印平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

各零部件所用材料為6061鋁合金,，計(jì)算過程中所用材料參數(shù)的具體數(shù)值見表1。

表1

模型處理
模型作了相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理,，主要內(nèi)容如下：
（1）只保留了打印平臺(tái),、打印底板和打印平臺(tái)與垂直移動(dòng)絲杠連接的結(jié)構(gòu)；
（2）去掉了連接結(jié)構(gòu)上的螺絲孔結(jié)構(gòu),。
坐標(biāo)系選擇：
保留原設(shè)計(jì)的坐標(biāo)系結(jié)構(gòu),，其中-Y方向?yàn)橹亓�加速度方向�?br />
邊界條件及接觸設(shè)置
根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況設(shè)定絲杠連接結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁為固定約束；
設(shè)定-Y方向的重力加速度為9.8066 m/s2,；
施加于打印底板上表面的極限載荷為175.1N,；
固定約束、重力加速度和施加于打印底板的載荷設(shè)置情況如圖3所示,；

以原方案為例,，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況設(shè)置打印平臺(tái)上表面與打印底板下端三個(gè)支腳、絲杠連接結(jié)構(gòu)與打印平臺(tái)接觸的部位為綁定接觸（使用綁定以后,，在接觸面之間有不存在切向的相對(duì)滑動(dòng)或者法向的相互分離）,，如圖4所示：

固定約束（左）,、        重力加速度（中）、        施加于打印底板的載荷（右）

圖3  邊界條件設(shè)置

圖4 接觸設(shè)置

仿真結(jié)果分析
-原方案變形及應(yīng)力分析結(jié)果

打印平臺(tái)變形結(jié)果（變形放大100倍顯示）（左）

打印底板變形結(jié)果（變形放大100倍顯示）（右）

打印平臺(tái)應(yīng)力結(jié)果（變形放大100倍顯示）（左）

打印底板應(yīng)力結(jié)果（變形放大100倍顯示）（右）

圖5 方案變形及應(yīng)力分析結(jié)果

由圖5可知（線彈性計(jì)算結(jié)果）：

1,、極限載荷工況下,，打印平臺(tái)的最大變形量為0.21mm，位于打印平臺(tái)的單支腳位置,；打印底板的最大變形量為0.22mm,，位于打印底板單支腳一側(cè)；

2,、極限載荷工況下,，打印平臺(tái)的最大應(yīng)力為11.96MPa；打印底板的最大應(yīng)力為8.60MPa,。

-優(yōu)化方案1變形及應(yīng)力分析結(jié)果

打印平臺(tái)變形結(jié)果（變形放大100倍顯示）（左）

打印底板變形結(jié)果（變形放大100倍顯示）（右）

打印平臺(tái)應(yīng)力結(jié)果（變形放大100倍顯示）（左）

打印底板應(yīng)力結(jié)果（變形放大100倍顯示）（右）

圖6 優(yōu)化方案1變形及應(yīng)力分析結(jié)果

由圖6可知（線彈性計(jì)算結(jié)果）：
1,、極限載荷工況下，打印平臺(tái)的最大變形量為0.033mm,，位于打印平臺(tái)的中部,；打印底板的最大變形量為0.047mm，位于打印底板兩側(cè),；
2,、極限載荷工況下，打印平臺(tái)的最大應(yīng)力為6.86MPa,；打印底板的最大應(yīng)力為5.21MPa,。

-優(yōu)化方案2變形及應(yīng)力分析結(jié)果

打印平臺(tái)變形結(jié)果（變形放大100倍顯示）（左）

打印底板變形結(jié)果（變形放大100倍顯示）（右）

打印平臺(tái)應(yīng)力結(jié)果（變形放大100倍顯示）（左）

打印底板應(yīng)力結(jié)果（變形放大100倍顯示）（右）

圖7 優(yōu)化方案2變形及應(yīng)力分析結(jié)果

由圖7知（線彈性計(jì)算結(jié)果）：
1、極限載荷工況下,，打印平臺(tái)的最大變形量為0.11mm,，位于打印平臺(tái)單支腳位置；打印底板的最大變形量為0.12mm,，位于打印底板單支腳一側(cè)的兩端,；

2、極限載荷工況下,，打印平臺(tái)的最大應(yīng)力為8.29MPa,；打印底板的最大應(yīng)力為8.14MPa。

結(jié)論
從以上分析可知：
與原方案相比,，采用優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2其打印平臺(tái)和打印底板的最大變形量和最大應(yīng)力都有明顯降低,，詳細(xì)對(duì)比結(jié)果如表2所示：

表2 原方案與優(yōu)化方案極限工況下最大變形量和最大應(yīng)力對(duì)比結(jié)果

總的來(lái)說，仿真計(jì)算在FDM 3D打印機(jī)各組件的設(shè)計(jì)改進(jìn)過程中有指導(dǎo)作用,，它能夠使得設(shè)計(jì)人員更直觀的得到相應(yīng)組件在實(shí)際運(yùn)行工況下的應(yīng)力及變形情況,，分析相應(yīng)組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供方向，縮短相應(yīng)的設(shè)備開發(fā)流程,。


作者：謝琰軍

材料物理與化學(xué)專業(yè),，博士學(xué)位，多年材料及增材制造領(lǐng)域研發(fā)經(jīng)驗(yàn),，參與并實(shí)施多項(xiàng)金屬增材制造科研課題及相關(guān)技術(shù)開發(fā)工作,；目前主要從事增材制造設(shè)備及工藝相關(guān)的仿真及咨詢工作。