DFD 3D打印機打印平臺承重仿真分析

來源：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、大尺寸等特點的工業(yè)級FDM 3D打印設(shè)備。擁有全鈑金機身，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)備運行穩(wěn)定性。此外，該設(shè)備還擁有斷電續(xù)打、缺料檢測、智能容錯檢測等功能，可實現(xiàn)設(shè)備長時間連續(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)級別零件。其中該款打印機在打印平臺設(shè)計過程中采用有限元仿真分析了不同設(shè)計方案打印平臺的最大變形和應(yīng)力情況，為打印平臺的設(shè)計提供了相應(yīng)的指導(dǎo)。

本期，增材專欄通過DFD打印機打印平臺的承重仿真分析來分享仿真在FDM 3D打印機各組件的設(shè)計改進過程中所起到的作用。

結(jié)構(gòu)模型及材料
仿真分析對打印機的結(jié)構(gòu)模型進行了簡化，只保留了打印平臺、打印底板和打印平臺與垂直移動絲杠連接的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。打印平臺設(shè)計了三種方案進行承重仿真對比分析，所設(shè)計的三種方案如圖2所示。

圖1 簡化后的分析模型

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

圖2 不同的打印平臺設(shè)計方案

各零部件所用材料為6061鋁合金，計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)的簡化處理，主要內(nèi)容如下：
（1）只保留了打印平臺、打印底板和打印平臺與垂直移動絲杠連接的結(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)計的坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)，其中-Y方向為重力加速度方向。

邊界條件及接觸設(shè)置
根據(jù)實際運行工況設(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)實際運行工況設(shè)置打印平臺上表面與打印底板下端三個支腳、絲杠連接結(jié)構(gòu)與打印平臺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滑動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（線彈性計算結(jié)果）：

1、極限載荷工況下，打印平臺的最大變形量為0.21mm，位于打印平臺的單支腳位置；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（線彈性計算結(jié)果）：
1、極限載荷工況下，打印平臺的最大變形量為0.033mm，位于打印平臺的中部；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（線彈性計算結(jié)果）：
1、極限載荷工況下，打印平臺的最大變形量為0.11mm，位于打印平臺單支腳位置；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，詳細對比結(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)力對比結(jié)果

總的來說，仿真計算在FDM 3D打印機各組件的設(shè)計改進過程中有指導(dǎo)作用，它能夠使得設(shè)計人員更直觀的得到相應(yīng)組件在實際運行工況下的應(yīng)力及變形情況，分析相應(yīng)組件結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，為打印機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(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，參與并實施多項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。