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，保證設備運行穩(wěn)定性。此外，該設備還擁有斷電續(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計過程中采用有限元仿真分析了不同設計方案打印平臺的最大變形和應力情況，為打印平臺的設計提供了相應的指導。

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。打印平臺設計了三種方案進行承重仿真對比分析，所設計的三種方案如圖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)。
坐標系選擇：
保留原設計的坐標系結(jié)構(gòu)，其中-Y方向為重力加速度方向。

邊界條件及接觸設置
根據(jù)實際運行工況設定絲杠連接結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁為固定約束；
設定-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置情況如圖3所示；

以原方案為例，根據(jù)實際運行工況設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  邊界條件設置

圖4 接觸設置

仿真結(jié)果分析
-原方案變形及應力分析結(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）

打印平臺應力結(jié)果（變形放大100倍顯示）（左）

打印底板應力結(jié)果（變形放大100倍顯示）（右）

圖5 方案變形及應力分析結(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，打印平臺的最大應力為11.96MPa；打印底板的最大應力為8.60MPa。

-優(yōu)化方案1變形及應力分析結(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）

打印平臺應力結(jié)果（變形放大100倍顯示）（左）

打印底板應力結(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，打印平臺的最大應力為6.86MPa；打印底板的最大應力為5.21MPa。

-優(yōu)化方案2變形及應力分析結(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）

打印平臺應力結(jié)果（變形放大100倍顯示）（左）

打印底板應力結(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，打印平臺的最大應力為8.29MPa；打印底板的最大應力為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打印機各組件的設計改進過程中有指導作用，它能夠使得設計人員更直觀的得到相應組件在實際運行工況下的應力及變形情況，分析相應組件結(jié)構(gòu)設計的合理性，為打印機的結(jié)構(gòu)設計及優(yōu)化提供方向，縮短相應的設備開發(fā)流程。


作者：謝琰軍

材料物理與化學專業(yè)，博士學位，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備及工藝相關(guān)的仿真及咨詢工作。