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關(guān)注創(chuàng)建者：kukufeng 創(chuàng)建時間：2023-08-16
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全新桌面金屬3D打印技術(shù)介紹
全新桌面金屬3D打印技術(shù)介紹 適用人群：電子電器、汽車和軌道交通等技術(shù)研發(fā)人員 全新桌面金屬3D打印技術(shù)介紹（免費）【已結(jié)束】 直播時間：2022-11-04 16:00課程內(nèi)容： 1、桌面金屬3D打印技術(shù)（金屬FDM）介紹 2、相比激光燒結(jié)，桌面金屬3D打印有哪些優(yōu)勢？ 3、桌面金屬3D打印的應(yīng)用
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3D打印資深玩家Owen花費了一個月，歷經(jīng)數(shù)百個小時的打印，從打印過程到打印部件，以多個維度的實驗觀察，分析了FDM和光固化3D打印機之間的利弊。接下來，就讓我們跟隨他的腳步，來深入了解這兩種3D打印技術(shù)吧！
FDM（熔融沉積成型）是目前應(yīng)用最廣泛的3D打印技術(shù)，主要是因為其整個系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作都比較簡單，并且后期維護使用成本較低以及不需要太多的后處理工序，但該技術(shù)由于自身成型工藝的原因，成型件表面成型質(zhì)量還有待提高。
隨著該技術(shù)的飛快發(fā)展，FDM桌面機已經(jīng)開始進入到人們的日常生活中，那么對成型件表面的精度要求也越來越高。在影響表面成型精度各種控制因素中，整個打印腔室內(nèi)溫度控制是最重要的一個因素。若整個成型腔室溫度過高，會造成成型件在打印過程中出現(xiàn)變軟、坍塌等打印缺陷；若整個成型腔室溫度過低，會造成成型件在打印過程中層與層之間存在粘接不牢等打印缺陷。那么整個成型腔室內(nèi)溫度分析對成型件的表面質(zhì)量有著重要的影響。
本期增材專欄，基于某款FDM桌面機對其整機成型腔室的溫度進行散熱仿真分析，以獲得其整個成型腔室內(nèi)部溫度分布狀況，同時對其散熱結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)的優(yōu)化，獲得原方案和優(yōu)化方案的對比結(jié)果，為后期產(chǎn)品的設(shè)計改進提供了參考依據(jù)。
FDM桌面機模型簡化處理
FDM桌面機主要由腔室框架、噴頭系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)、運動結(jié)構(gòu)、加熱系統(tǒng)、成型平臺以及其他附件等部分組成，具體可參見圖1所示。FDM桌面機整機模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在仿真計算中，需要把一些對整機成型腔室溫度仿真分析影響不大的部件進行忽略。
圖 1某FDM桌面機整機模型
圖 2某FDM桌面機簡化后模型
在本文仿真模型中，只考慮腔室框架、噴頭系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)、部分運動件和成型平臺，腔室框架內(nèi)：上壁板以頂蓋為邊界做模型簡化，去掉加強筋；下壁板以成型平臺為邊界簡化為平面；送料電機按外殼形狀做簡化，風(fēng)扇按外殼形狀簡化為方塊體，具體可參見圖2所示。
同時對一些結(jié)構(gòu)（比如噴頭系統(tǒng)）進行模型簡化。
展開 3D打印夾具適配被檢測零件的幾何形狀，通過幾次點擊即可生成
許多行業(yè)領(lǐng)先的制造公司已經(jīng)采用了 FDM ™夾具生成器的前幾個模塊。例如，遮蔽模塊被用于世界各地的車間，生成用于精加工和后處理的保護性夾具。
觀看視頻，查看 FDM 夾具生成器遮蔽模塊的運行情況：
準(zhǔn)備好下一步了嗎？
軟件授權(quán)解決方案，如 FDM 夾具生成器，為先進制造技術(shù)（如 FDM 3D 打印）的用戶解鎖更多價值。它們還加快了三坐標(biāo)檢測（CMM）等應(yīng)用的設(shè)計時間，并最終減少了制造領(lǐng)域的瓶頸。
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作者：蔡斯.艾倫
展開 FDM又稱熔融沉積成型，是迄今為止最容易獲取且使用最廣泛的 3D 打印工藝。FDM 3D打印技術(shù)根據(jù)軟件預(yù)設(shè)的坐標(biāo)擠出熱塑性塑料絲，自下而上逐層構(gòu)建零件。這種打印技術(shù)主要以ABS、尼龍、PC等熱塑性線裝材料為原料，操作便捷，體積小巧，清潔易用，適合辦公室環(huán)境；打印出的零件具有很好的耐熱性和化學(xué)強度；它可以實現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)無法制造的復(fù)雜幾何形狀和內(nèi)腔。
除此之外，FDM 3D打印技術(shù)免除了生產(chǎn)過程中繁瑣的工序，便于隨時更改設(shè)計，降低生產(chǎn)成本，極大縮短生產(chǎn)周期。綜上考慮，FDM 3D打印技術(shù)在眾多快速成型技術(shù)中有很好的發(fā)展前景，故對FDM 3D打印機型的設(shè)計研究很有必要。本文將結(jié)合某款打印機的待改進機型（重點討論噴嘴部分），淺談此技術(shù)在機型設(shè)計中考慮的問題，以及仿真計算在問題改進過程中所起的作用。
圖片：德迪智能的MOIRA DF3桌面級3D打印機
仿真縮短研發(fā)周期
FDM打印機設(shè)計的基本思路是在噴嘴處對打印材料瞬間加熱使其軟化至粘流態(tài)，絲材擠出至底板上后冷卻成型，從而打印出零件。所以這個技術(shù)難點之一是噴嘴處溫度的控制。針對這一設(shè)計中常見的問題有:
- 加熱片至噴嘴頂端區(qū)域由于散熱使材料提前凝固造成堵塞。
- 加熱片以下區(qū)域，由于受熱溫度升高，使輸料管中材料彎軟影響擠料。
計算及結(jié)果：
針對以上問題，仿真計算可以：
通過對輸料管中打印料材溫度的初步模擬，判斷打印過程中輸料管內(nèi)的料材所處的狀態(tài)以及噴嘴內(nèi)溫度分布。
對加熱和散熱結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和改進來達到對料材狀態(tài)的控制，例如加熱塊的溫度與尺寸，散熱片及風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)等。
下面文章將針對以上兩點逐步介紹仿真計算的操作流程及初步結(jié)果。此次對噴頭的模擬計算選用ANSYS FLUENT１８.２進行計算。
展開 前言：
熔融擠出成型(FDM)工藝是利用高溫將材料融化成液態(tài)，通過打印頭擠出后固化，最后在立體空間上排列形成立體實物。FDM機械系統(tǒng)主要包括噴頭、送絲機構(gòu)、運動機構(gòu)、加熱工作室、工作臺等（如圖1）。
圖1 FDM工藝原理示意圖
如圖1所示，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)。每一個層片都是在上一層上堆積而成，上一層對當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會發(fā)生變化。層層累積直至打印完成。
FDM成型技術(shù)使用、維護簡單，成本較低。用ABS制造的原型因具有較高強度而在產(chǎn)品設(shè)計、測試與評估等方面得到廣泛應(yīng)用。近年來又開發(fā)出PC，PC/ABS，PPSF等更高強度的成形材料，使得該工藝有可能直接制造功能性零件。然而這種快速成型技術(shù)也存在他的局限，例如原型的表面有較明顯的條紋，表面光潔度較高的產(chǎn)品需要后處理；在與截面垂直的方向強度小；需要設(shè)計和制作支撐結(jié)構(gòu)。成型速度相對較慢，不適合構(gòu)建大型零件；噴頭容易發(fā)生堵塞，不便維護。
如上所述，FDM噴頭的結(jié)構(gòu)是這種快速成型技術(shù)的技術(shù)要點。好的噴頭結(jié)構(gòu)可以最大效率的利用熱量，完成精準(zhǔn)的溫度控制，使打印絲材在打印過程中快速且穩(wěn)定的完成熔化凝固的過程。
計算及結(jié)果：
針對目前對現(xiàn)有FDM噴頭的分析可知，在FDM噴頭設(shè)計的過程中，集中在噴頭處的問題主要體現(xiàn)在以下幾方面：
加熱片以上區(qū)域由于受熱溫度升高，使輸料管中材料彎軟影響擠料。
加熱片以下區(qū)域，尤其是噴嘴處，由于散熱使材料凝固造成堵塞。
總而言之，噴頭結(jié)果不能達到對熱量的精準(zhǔn)控制，使噴頭的導(dǎo)熱與散熱結(jié)構(gòu)配合不協(xié)調(diào)，進而影響打印絲材的相變過程。
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FLOW-3D AM 軟件基于離散元方法（DEM）和計算流體動力學(xué)（CFD）為各種增材制造過程提供建模平臺，包括激光粉末床熔融（LPBF）、定向能量沉積（DED）、黏結(jié)劑噴射（BJ）以及金屬熔融沉積建模（FDM）等。
FLOW-3D AM 的自由液面跟蹤算法和多物理場建模功能可高精度模擬鋪粉、熔池動力學(xué)、孔隙形成、滲透和擴散，分析和優(yōu)化工藝參數(shù)。
數(shù)值模擬方法
數(shù)值模擬潰壩問題的方法眾多，其中常見的方法包括有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）和有限體積法（FVM）。目前，有限體積法以其良好的守恒性質(zhì)和易于處理復(fù)雜邊界條件的優(yōu)勢，成為主流的求解方法。Navier-Stokes方程描述了流體運動的基本規(guī)律，包括連續(xù)性方程和動量守恒方程。
傳統(tǒng)數(shù)值方法與機器學(xué)習(xí)的融合需求有限差分法（FDM）和有限單元法（FEM）雖成熟但依賴離散化，難以處理復(fù)雜幾何與多物理場耦合問題。機器學(xué)習(xí)（如CNN、GNN）雖具備強大的數(shù)據(jù)擬合能力，但缺乏物理可解釋性。PINN通過融合物理定律與數(shù)據(jù)驅(qū)動，顯著減少訓(xùn)練數(shù)據(jù)需求，提升泛化性能，并在參數(shù)反演、方程發(fā)現(xiàn)等逆問題中展現(xiàn)獨特優(yōu)勢。
豐富的求解器算法庫：滿足多樣化仿真需求
兼具粒子類算法和網(wǎng)格類算法，涵蓋顯式求解和隱式求解，與FEM、FDM等算法無縫耦合，可在同一軟件中實現(xiàn)多物理場問題的高效高精度分析。豐富的求解器算法庫為高效求解、高精度求解、大模型求解、多尺寸模型求解、耦合求解等提供了更合適的選擇。
我們都知道，工程塑料在FDM（熔融沉積成型）打印中，通常會采用分層堆疊的打印方式，那每一層之間必然會存在一定的銜接痕跡。
正因如此，在XY軸方向上遇到弧面或小角度平面時，其層紋會變得異常明顯。從 JLC3D 小編實際打印的圓弧形模型（PLA材料）中可以清晰地看到，模型表面呈現(xiàn)出明顯的階梯狀紋理，層紋之間的跨度較大，看起來反而不精細了。
FDM Printing
Concrete printing
1. FDM printing
FDM printing采用polymer擠出進行3D打印。對研究方向而言，屬于沉積流 (Deposition flow)，流體在熱擠出頭內(nèi)的流動更是研究重點之一。
從2018年開始，DTU開始針對FDM打印過程中的流體流動現(xiàn)象進行研究，最初研究時做了下列假設(shè)。
ABNS9pTREZ1vIKp2yOLTDGHsZZRekG02SSq/tqsWY3mCKAS9Era6WBMwgDcLINsgJjOiCr5oweUMaVlbq0mar+jWK1tnzKuxmTUtIhwlnNh6mDpDufPXRkbI3EsdK4puiaM9r6q4zOjFbrNTr+2bGFzsjGSt39gwziuVYNPK5XFvsHdVl61EHqcjK4CLJMahjUVymKBKKFWBMXFVUYj667hc+Kxz9WE15Oc4fDm
目前應(yīng)用最廣的方法有三種：有限元法（Finite Element Method, FEM）、有限體積法（Finite Volume Method, FVM）和有限差分法（Finite Difference Method, FDM）。
比如著名的結(jié)構(gòu)仿真軟件AIFEM就基于有限元法、流體仿真軟件AICFD基于有限體積法。
這三種方法都需要將連續(xù)的偏微分方程離散為代數(shù)方程組。
基于matlab得到的頻分復(fù)用(FDM，F(xiàn)requency Division Multiplexing)實現(xiàn)，仿真時錄入三路聲音信號進行處理，將用于傳輸信道的總帶寬劃分成三個子頻帶，經(jīng)過復(fù)用以后再將錄入的聲音信號恢復(fù)出來。程序已調(diào)通，可直接運行。
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