来源：安世亚太
作者：谢琰军
DFD-300是杭州德迪智能科技有限公司研发的一款具备高精度、高效率、大尺寸等特点的工业级FDM 3D打印设备。拥有全钣金机身，铝合金框架，轻量化结构，全封闭降噪，并搭配高精度轴承和滚珠丝杆，保证设备运行稳定性。此外，该设备还拥有断电续打、缺料检测、智能容错检测等功能，可实现设备长时间连续稳定打印，适用于打印各种大尺寸、结构复杂的手版模型及工业级别零件。其中该款打印机在打印平台设计过程中采用有限元仿真分析了不同设计方案打印平台的最大变形和应力情况，为打印平台的设计提供了相应的指导。
本期，增材专栏通过DFD打印机打印平台的承重仿真分析来分享仿真在FDM 3D打印机各组件的设计改进过程中所起到的作用。
结构模型及材料
仿真分析对打印机的结构模型进行了简化，只保留了打印平台、打印底板和打印平台与垂直移动丝杠连接的结构，如图1所示。打印平台设计了三种方案进行承重仿真对比分析，所设计的三种方案如图2所示。
图1 简化后的分析模型
原方案（左）、 优化方案1（中）、 优化方案2（右） 图2 不同的打印平台设计方案 各零部件所用材料为6061铝合金，计算过程中所用材料参数的具体数值见表1。
表1 模型处理
模型作了相应的简化处理，主要内容如下：
（1）只保留了打印平台、打印底板和打印平台与垂直移动丝杠连接的结构；
（2）去掉了连接结构上的螺丝孔结构。
坐标系选择：
保留原设计的坐标系结构，其中-Y方向为重力加速度方向。
边界条件及接触设置
根据实际运行工况设定丝杠连接结构的内壁为固定约束；
设定-Y方向的重力加速度为9.8066 m/s2；
施加于打印底板上表面的极限载荷为175.1N；
固定约束、重力加速度和施加于打印底板的载荷设置情况如图3所示；
以原方案为例，根据实际运行工况设置打印平台上表面与打印底板下端三个支脚、丝杠连接结构与打印平台接触的部位为绑定接触（使用绑定以后，在接触面之间有不存在切向的相对滑动或者法向的相互分离），如图4所示：
固定约束（左）、 重力加速度（中）、 施加于打印底板的载荷（右） 图3 边界条件设置 图4 接触设置
仿真结果分析
-原方案变形及应力分析结果
打印平台变形结果（变形放大100倍显示）（左） 打印底板变形结果（变形放大100倍显示）（右）
打印平台应力结果（变形放大100倍显示）（左） 打印底板应力结果（变形放大100倍显示）（右） 图5 方案变形及应力分析结果
由图5可知（线弹性计算结果）：
1、极限载荷工况下，打印平台的最大变形量为0.21mm，位于打印平台的单支脚位置；打印底板的最大变形量为0.22mm，位于打印底板单支脚一侧；
2、极限载荷工况下，打印平台的最大应力为11.96MPa；打印底板的最大应力为8.60MPa。
-优化方案1变形及应力分析结果
打印平台变形结果（变形放大100倍显示）（左） 打印底板变形结果（变形放大100倍显示）（右） 打印平台应力结果（变形放大100倍显示）（左） 打印底板应力结果（变形放大100倍显示）（右） 图6 优化方案1变形及应力分析结果 由图6可知（线弹性计算结果）：
1、极限载荷工况下，打印平台的最大变形量为0.033mm，位于打印平台的中部；打印底板的最大变形量为0.047mm，位于打印底板两侧；
2、极限载荷工况下，打印平台的最大应力为6.86MPa；打印底板的最大应力为5.21MPa。
-优化方案2变形及应力分析结果
打印平台变形结果（变形放大100倍显示）（左） 打印底板变形结果（变形放大100倍显示）（右） 打印平台应力结果（变形放大100倍显示）（左） 打印底板应力结果（变形放大100倍显示）（右） 图7 优化方案2变形及应力分析结果
由图7知（线弹性计算结果）：
1、极限载荷工况下，打印平台的最大变形量为0.11mm，位于打印平台单支脚位置；打印底板的最大变形量为0.12mm，位于打印底板单支脚一侧的两端；
2、极限载荷工况下，打印平台的最大应力为8.29MPa；打印底板的最大应力为8.14MPa。
结论
从以上分析可知：
与原方案相比，采用优化方案1和优化方案2其打印平台和打印底板的最大变形量和最大应力都有明显降低，详细对比结果如表2所示：
表2 原方案与优化方案极限工况下最大变形量和最大应力对比结果 总的来说，仿真计算在FDM 3D打印机各组件的设计改进过程中有指导作用，它能够使得设计人员更直观的得到相应组件在实际运行工况下的应力及变形情况，分析相应组件结构设计的合理性，为打印机的结构设计及优化提供方向，缩短相应的设备开发流程。
作者：谢琰军
材料物理与化学专业，博士学位，多年材料及增材制造领域研发经验，参与并实施多项金属增材制造科研课题及相关技术开发工作；目前主要从事增材制造设备及工艺相关的仿真及咨询工作。
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