CN111444559A - 一种基于ansys的fdm型3d打印过程的动态仿真方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种基于ANSYS的FDM型3D打印过程的动态仿真方法

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：

S1：建立有限元模型模块，为3D打印过程的动态仿真提供模型数据；

S2：建立丝材模态转换模块，用于3D打印过程的动态仿真中的模型材料动态变化；

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，使有限元模型模块的单元拥有“杀死单元”、“激活单元”两种形态，用于模拟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。

其中，有限元模型建立模块：该模块分为仿真条件设定和有限元模型，有限元模型包含成型件模型、网格划分模型、环境条件模型。

仿真条件设定首先设定结果集中载荷步的步数、结果集中包含几何结构的信息、处理器个数，以避免仿真结果不能收敛时仿真运算无限循环并设定求解器中缓存数量增加动态仿真方法的存储个数。

有限元模型的成型件模型使用单元类型为solid70的实体长方体，长方体具有长、宽、高、节点位置等属性并依照长方体建立局部坐标系。局部坐标系包含喷头位置、喷头速度、生死单元、喷头移动方向等参数，网格划分模型按照打印路径进行分割为数个打印路径的长方体，并对整体成型件模型划分为尺寸0.003m的正六面体单元，每个正六面体具有坐标位置、时间、温度、热物性等属性。环境条件模型包含环境温度、加热底板温度、环境传热特性参数、加热底板传热特性参数。环境指成型件打印过程中需要接触的空气和底板。

丝材模态装换模块：通过ANSYS中材料参数的设定，分别将材料的弹性模量、屈服模量、屈服后弹、比热容、热涨系数、泊松比、导热系数、密度等材料热物性在不同温度条件下的值赋予打印模型。建立三维瞬态热传递微分方程作为热传递表达式对打印过程中接触的各个单元进行热传导和热量的迭代。因为成型件在打印过程中，温度变化会引起打印材料的模态变化，使用显热熔法模拟材料的模态变化。

三维瞬态热传递微分方程包含单元体积热生成率、单元密度、单元相变潜热、单元比热容、单元液相率、丝材各轴向热传导系数和单元材料模态形态(玻璃态-高弹态-熔融态)等属性。显热熔法包含单元显热热容，打印材料的玻璃态比热和熔融态比热值与打印材料高弹态阈值温度与熔融态阈值温度等属性。

生死单元模块：在仿真开始前，将成型件模型各个单元的温度、质量、体积、导热系数等进行缩小至原参数的1e-8倍大小，将这部分单元作为“杀死单元”。打印模型开始时按照成型件的打印路径依次一个个单元进行激活，恢复其参数为原参数进行传热和显热熔积累，这部分单元为“激活单元”，成型件在打印过程中所有的“杀死单元”转变为“激活单元”的过程模拟FDM型3D打印的丝材熔融堆积过程。

动态移动喷头模块：使用高斯热源公式为

的高斯热源为喷头热源模型，其中q为坐标点热量值，Q_m为热源中心最大热量值，X为坐标点x轴坐标值，Y为坐标点y轴坐标值，Z为坐标点z轴坐标值，r为高斯热源半径值，热源的热量分布在X-Y平面、X-Z平面、Y-Z平面都符合高斯曲线，若平面坐标系原点为热源中心，则原点处为高斯曲线中点，热量最大，平面坐标系两端热量按高斯曲线下降，高低呈钟型，边缘低且中间高，喷头覆盖面为圆形。动态移动喷头包含速度、热功率、打印半径等属性，对打印的过程设置时间跟踪，进行打印过程中热量的迭代运算。动态移动喷头的移动过程中坐标位置与“杀死单元”重合时，将“杀死单元”的各项参数恢复原值，装换为“激活单元”并施加热传导，将高斯热源型的动态移动喷头热量传递给当前单元模拟熔融丝材流出喷头在当前位置堆积，形成当前位置的成型件单元。

温度场及热应力传递模块：在3D打印过程的动态仿真中，对各个时间点和单元的温度、显热焓值、泊松比等热物性进行记录，并按照单元接触面的导热系数进行热量传导和显热焓值的积累。对边缘单元因接触空气环境施加空气热对流，按照热传导、热对流对成型件单元的影响进行热量传递和显热焓值的积累并记录。对与动态移动喷头接触的单元，施加热传导进行喷头热源与“激活单元”的热传递，并按照单元接触面的导热系数进行热量传递和显热焓值的积累。对内部单元因接触“激活单元”施加接触热传导，并按照单元接触面的导热系数进行热量传递和显热焓值的积累。最后通过成型件各个单元的热物性参数和单元随时间的各参数记录值，计算得出热应力值。温度场和热应力的传递仅在“激活单元”传递，避免对未打印部分成型件的干扰。

相比于现有技术，本发明具有以下优点：通过使用本发明的3D打印过程的动态仿真方法进行仿真打印，可以使打印温度场分析和应力场分析更为细致，可以观察打印路径的瞬态变化与成型件整体温度场和应力场的分布及方向性，同时得出较大热应力区域数目增加，仿真精度提高，便于实际实验对比分析与提升成型件质量的分析。

附图说明

图1为本发明成型件样例模型

图2为本发明打印路径模型

图3为本发明局部坐标系及喷头移动轨迹模型

图4为本发明成型件网格划分模型

图5(a)为已有研究仿真方法温度场云图

图5(b)为本发明仿真方法温度场云图

图6(a)为已有研究仿真方法应力场云图；

图6(b)为本发明仿真方法应力场云图；

图7为本发明仿真分析优化打印参数后后热应力场云图

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

Step1：建立有限元模型模块，为3D打印过程的动态仿真提供模型数据。

在ANSYS软件的Mechanical APDL Product Launcher中建立成型件模型如图1所示，使用APDL函数block建立长、宽、高分别为0.045m、0.045m、0.009m的长方体模型。成型件进行打印路径切分得到成型件的打印路径模型如图2所示，被轮廓线分隔的每个长方体为不同的扫描路径，一个长方体为一次扫描路径，各路径直接接触无空隙，使用vsbw函数按单前X-Y面进行切割；使用wpoffs函数进行X-Y面的平移；使用函数wprota进行X-Y面的旋转；使用*do...*enddo函数d的配合进行循环切割。对打印路径模型的每一路径设置局部坐标系和仿真喷头热源的移动轨迹如图3所示，每一个数字表示一个局部坐标系，每一个局部坐标系的x,y,z轴与顶角处的主坐标系的x,y,z轴方向一致，线段的交点为原点，虚线为各轨迹的轮廓，使用local函数建立局部坐标系，坐标系包含x,y,z轴方向和坐标原点。建立成型件网格划分模型如图4所示，每一个小立方体为一个单元，使用vsel函数进行实体选择；使用MAT、mshkey、mshape函数定义当前模型及项目属性；使用esize函数设定划分单元尺寸；使用vsweep函数进行网格划分。设置模型类型为SOLID70类型的进行网格划分。

建立成型件样例模型APDL程序为： nummrg,all

block,,0.045,,0.045,,0.009 numcmp,all

打印路径模型APDL程序为： 网格划分APDL程序为：

Step2：建立丝材模态转换模块，用于3D打印过程的动态仿真中的模型材料动态变化。

设置在打印丝材的参数中设置不同温度下的丝材热物性，设置仿真打印过程的边界条件和热传递表达式，并建立比热容表达式。设置边界条件中环境温度为40℃，底板温度为40℃，空气热对流为70W/(m².℃)，丝材热物性如下表所示：

丝材热物性参数表

以三维瞬态热传递微分方程作为热传递表达式为：

其中，q为体积热生成率、ρ为密度、L为相变潜热、C为比热容、r为液相率，k_x,k_y,k_z为丝材各轴向热传导系数。r＝0表示材料为玻璃态，0＜r＜1表示材料为高弹态，r≥1表示材料为熔融态。因在丝材模态转换过程中存在潜热堆积，利用显热熔法准确反应丝材热传递过程，建立比热容分布表达式为：

其中，C_e为显热热容，C₁与C₂分别为打印材料的玻璃态比热和熔融态比热，T₁与T₂分别为打印材料高弹态阈值温度与熔融态阈值温度。

Step3：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。

在各局部参考系原点加入动态移动喷头模型，动态移动喷头模型的热量动态传递过程沿局部坐标系Y轴方向进行，动态移动喷头的热源模型为高斯热源，设置动态移动喷头移动速度变量V＝0.03m/s，工作效率变量YITA＝0.9，热源半径变量r＝0.007m，热功率变量Q＝500W×YITA，中心热对流Q_m＝3Q/(πR²)。在等直径大的圆范围内温度中心最高边缘最低，温度变化符合高斯曲线分布，热传递大小分布与温度分布一致。使用CLOCAL函数选择局部坐标系；使用NSEL函数选择节点；使用CM进行解读归组；使用*DEL,*SET函数配合定义高斯热源型动态移动喷头的ANSYS函数形式；

一局部坐标的喷头模型APDL程序：,％_FNCCSYS％

Step4：建立生死单元，使有限元模型模型的单元可以拥有“杀死单元”、“激活单元”两种形态，用于模拟3D打印过程中丝材的熔融堆积。

每一局部坐标系建立生死单元，在打印喷头移动的初始位置保持该位置的成型件单元属性不变，将其余单元温度、质量、体积、导热系数等属性乘以1e-8作为“杀死单元”，当个局部坐标原点(动态移动喷头)移动时，局部坐标原点位置的单元乘以1e8恢复单元属性作为“激活单元”，恢复其参数为原参数进行传热和显热熔积累。使用VSEL、ESLV函数配合选取选中实体的单元，使用ekill函数进行杀死单元，使用ealive函数进行激活单元，使用cm进行定义单元属性。

一局部坐标系“杀死单元”APDL程序： esel,s,elem,,weld_elem_1

Step5：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，修该打印参数进行仿真确定较优打印方式。

对各个时间点和单元的温度、显热焓值、泊松比等热物性进行记录，并按照单元接触面的导热系数进行热量传导和显热焓值的积累，在ANSYS经典界面中选择Main Menu>PostProc>Read Result进行结果组选定，Main Menu>PostProc>Plot Result>ContourPlot>Nodel Result用于显示节点云图。

本发明仿真方法和已有研究仿真方法温度场云图对比图如图5(a)和5(b)所示，图5(a)为已有研究仿真方法温度场云图，图5(b)为本发明仿真方法度场云图。温度云图中白色至深灰色变化表示低温到高温变化。本发明仿真方法和已有研究仿真方法应力场云图对比图如图6(a)和6(b)所示，图6(a)为已有研究仿真方法应力场云图,图6(b)为本发明仿真方法应力场云图。深灰色区域为应力较大区域，纯黑色区域为热应力未分析区域，淡灰色区域至白色区域为适宜热应力区域。已有研究仿真方法参考哈尔滨工业大学高金岭的硕士学位论文《FDM快速成型机温度场及应力场的数值模拟仿真》。

step6：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。

本发明仿真分析优化打印参数后后热应力场云图如图7所示，深灰色区域为应力较大区域，纯黑色区域为热应力未分析区域，淡灰色区域至白色区域为适宜热应力区域。

以长方体成型件为例，设置打印速度为0.03m/s，已有仿真方式的温度场分布分析得出温度梯度较大区域无方向性，只能分析整体温度梯度以中心向四周扩散，单层分析单元36个，热量传递仅为线性。应力场分布分析得出热应力较大点1处，热应力分布仅为中心无成型件其余部分应力分布，单层分析模块36个；而使用本发明仿真方法的温度场分析得出温度梯度存在方向性，与3D打印路径相关。该方法可以得出相应的温度梯度产生方式与成型件各区域热量传递和散热关系，单层分析单元为225个，热量传递包含线性和非线性。应力场分布分析得出热应力较大点7处，热应力分布包含整个成型件，直观显示成型件热应力的分布方向，单层分析单元225个。

经热应力场和温度场分析得到优化后的打印参数，按优化后打印参数打印，热应力分布改善较大热应力消失，整体热应力分布与优化前保持一致。

由此可见，通过使用本发明的3D打印过程的动态仿真方法进行仿真打印，可以使打印温度场分析和应力场分析更为细致，可以观察打印路径的瞬态变化与成型件整体温度场和应力场的分布及方向性，同时得出较大热应力区域数目增加，仿真精度提高，便于实际实验对比分析与提升成型件质量的分析。

Claims (6)

1.一种基于ANSYS的FDM型3D打印过程的动态仿真方法,其特征在于包括以下步骤：

S1：建立有限元模型模块，为3D打印过程的动态仿真提供模型数据；

S2：建立丝材模态转换模块，用于3D打印过程的动态仿真中的模型材料动态变化；

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，使有限元模型模块的单元拥有“杀死单元”、“激活单元”两种形态，用于模拟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。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述有限元模型模块分为仿真条件设定和有限元模型，有限元模型包含成型件模型、网格划分模型、环境条件模型；

其中，仿真条件设定首先设定结果集中载荷步的步数、结果集中包含几何结构的信息、处理器个数；

成型件模型使用单元类型为solid70的实体长方体并依照长方体建立局部坐标系，局部坐标系包含喷头位置、喷头速度、生死单元和喷头移动方向；网格划分模型按照打印路径进行分割为数个打印路径的长方体，并将整体成型件模型划分为一定尺寸的正六面体单元；环境条件模型包含环境温度、加热底板温度、环境传热特性参数、加热底板传热特性参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述丝材模态装换模块：通过ANSYS中材料参数的设定，分别将材料的热物性参数在不同温度条件下的值赋予打印模型；建立三维瞬态热传递微分方程作为热传递表达式对打印过程中接触的各个单元进行热传导和热量的迭代。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述生死单元模块：在仿真开始前，将成型件模型各个单元的温度、质量、体积和导热系数进行缩小至原参数的1e-8倍大小，将这部分单元作为“杀死单元”；打印模型开始时按照成型件的打印路径依次一个个单元进行激活，恢复其参数为原参数进行传热和显热熔积累，这部分单元为“激活单元”，成型件在打印过程中所有的“杀死单元”转变为“激活单元”的过程模拟FDM型3D打印的丝材熔融堆积过程。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述动态移动喷头模块：使用高斯热源公式为

的高斯热源为喷头热源模型，其中q为坐标点热量值，Q为热源中心最大热量值，X为坐标点x轴坐标值，Y为坐标点y轴坐标值，Z为坐标点z轴坐标值，r为高斯热源半径值；

热源的热量分布在X-Y平面、X-Z平面、Y-Z平面都符合高斯曲线，若平面坐标系原点为热源中心，则原点处为高斯曲线中点且为热量最大点，平面坐标系两侧热量按高斯曲线下降，高低呈钟型，边缘低且中间高，喷头覆盖面为圆形；

对打印的过程设置时间跟踪，进行打印过程中热量的迭代运算；动态移动喷头的移动过程中坐标位置与“杀死单元”重合时，将“杀死单元”的各项参数恢复原值，转换为“激活单元”并施加热传导，将高斯热源型的动态移动喷头热量传递给当前单元模拟熔融丝材流出喷头在当前位置堆积，形成当前位置的成型件单元。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述温度场及热应力传递模块：在3D打印过程的动态仿真中，对各个时间点和单元的热物性参数进行记录，并按照单元接触面的导热系数进行热量传导和显热焓值的积累；

对边缘单元因接触空气环境施加空气热对流，按照热传导、热对流对成型件单元的影响进行热量传递和显热焓值的积累并记录；

对与动态移动喷头接触的单元，施加热传导进行喷头热源与“激活单元”的热传递，并按照单元接触面的导热系数进行热量传递和显热焓值的积累；

对内部单元因接触“激活单元”施加接触热传导，并按照单元接触面的导热系数进行热量传递和显热焓值的积累；

最后通过成型件各个单元的热物性参数和单元随时间的各参数记录值，计算得出热应力值。

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