[发明专利]一种基于ANSYS的FDM型3D打印过程的动态仿真方法

说明书

本发明提出一种基于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。

技术领域：

本发明涉及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。

背景技术：

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、Unigraphics NX、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。

发明内容：

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于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。本发明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，本发明所述基于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：