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多材料零件3D打印建模研究与力学性能分析

多材料零件3D打印建模研究与力学性能分析

作者：陈浩陕西科技大学

学位级别：硕士

随着3D打印零件的个性化定制与特殊功能化日益发展,单一材质的3D打印零件已经无法满足特殊工况要求,多材料零件3D打印技术已经成为快速成型行业的研究热点。目前多材料零件3D打印的关键技术之一是CAD建模问题。但在多材料零件建模领域... 详细信息

随着3D打印零件的个性化定制与特殊功能化日益发展,单一材质的3D打印零件已经无法满足特殊工况要求,多材料零件3D打印技术已经成为快速成型行业的研究热点。目前多材料零件3D打印的关键技术之一是CAD建模问题。但在多材料零件建模领域并没有统一的多材料零件建模方法。并且学者在各自建模方法的基础上并没有进行多材料零件建模软件的开发与CAE分析。针对这些关键问题,本文在多材料零件建模领域的国内外研究学者的基础上,将多材料零件建模方法分析总结,并提出一种基于控制点的梯度源建模方法,在此基础上用VS2019和OpenGL、MFC进行多材料零件建模软件开发,最后通过数值模拟来验证本文研究的功能梯度材料的优越性。具体内容如下:(1)首先综述了多材料零件的定义与分类、以及多材料零件建模的一般问题和解决方法。其次将多材料零件建模方法划分为三类:估值建模方法、非估值建模方法和复合建模方法。随后针对三类模型分别进行了分析与评价,并总结出了三类模型的优、缺点。最后讨论了多材料零件建模技术面临的挑战与未来发展趋势。(2)提出一种基于控制点的梯度源建模方法。该方法在几何建模中认为几何模型均是由空间中的点所组成,在材料建模中以“梯度源”建模思想按照材料组分梯度变化公式对多材料零件进行颜色渐变表示。利用VS2019和OpenGL编程语言对单梯度源零件进行可视化建模表示与分析。接着在单梯度源建模基础上,引入运算符号对两种不同梯度源进行加权运算,对三种材料零件进行可视化建模表示与分析。所提出的建模方法经3D打印技术制造出的多材料零件,能够很好的避免多材料零件中由于材料成分急剧变化,而引起的应力集中与热失效等不良效果。(3)借助Visual C++编程环境,通过调用OpenGL的图形函数库,分别对ASCII格式和BINARY格式的STL文件进行了数据提取以及模型可视化、旋转、缩放等操作,为对多材料零件3D打印建模软件的开发工作做准备。(4)基于多材料零件建模方法的研究,本文提出一种基于控制点的梯度源建模方法,该方法能够清晰的表达功能梯度材料(FGM)的材料梯度变化,同时在读取STL文件的基础上进行了多材料零件3D打印建模软件的开发。所开发的软件具有良好的数据可读性、人机交互性以及操作简便性。所开发的软件可读取以任意STL格式定义的几何模型,在此基础上计算模型包围盒边界信息,将材质信息分配到包围盒顶点,利用线性插值法计算几何模型上的材料分布。通过线性距离插值函数可以获得每个三角形网格上的材质分布,并将其分配到原始STL文件中,形成附加材质信息的STL模型。(5)对双材料零件与FGM零件的力学性能进行数值模拟分析。在介绍双材料与功能梯度材料零件的基础上,对三种不同工况下,200kg机械载荷条件、1400℃温度载荷条件下、200kg机械载荷条件和1400℃温度载荷二者共同作用条件下进行力学性能分析。分析结果显示在高温条件下,双材料零件会产生不同材料间的应力跳跃,从而导致工件寿命缩短。接着采用控制变量的方法,在相同物理模型尺寸,相同三点实验方式,相同三种工况下的功能梯度材料零件进行力学性能模拟。模拟实验结果显示,FGM零件x方向应力、y方向应力分布较缓和,说明功能梯度材料能够缓和不同材料间的应力作用,可以缓和双材料界面间的应力跳跃。同时,在工件相同受损条件下,温度载荷在不同材料连接界面处产生的热膨胀力远远大于机械载荷所产生的机械应力。因此在工件工作时,需要注意温度载荷对零件的影响,以延长零件寿命。本文基于多材料零件建模方法的总结分析,接着提出一种多材料零件建模方法,在此基础上开发了一种多材料零件3D打印建模软件。通过分析功能梯度材料零件的力学性能验证其优越性。解决了多材料零件建模领域的研究不连续问题,为多材料零件建模的整体研究提供了一套系统的解决方案。

关键词：多材料零件 3D打印 CAD建模模型研究软件开发力学性能分析

基于三维打印工艺的多材料零件数字化处理研究

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基于三维打印工艺的多材料零件数字化处理研究

作者：吴静雯南京师范大学

学位级别：硕士

制造业市场发展日益复杂化和全球化,单材均质三维打印零件已难以满足产品对零件性能和功能多样化要求。多材料三维打印技术突破了材料单一的限制,能够实现同层或邻层不同区域之间多种材料组分的快速加工,成为国内外学者研究的热点。本... 详细信息

制造业市场发展日益复杂化和全球化,单材均质三维打印零件已难以满足产品对零件性能和功能多样化要求。多材料三维打印技术突破了材料单一的限制,能够实现同层或邻层不同区域之间多种材料组分的快速加工,成为国内外学者研究的热点。本课题结合数字化微喷技术和三维打印技术,设计了一种多材料三维打印设计与制造数字化处理系统,能够快速加工复合材料零件、功能梯度材料零件和点彩色及纹理贴图零件。本文以多材料三维打印技术数字化处理为出发点,主要研究工作集中在以下几点：(1)针对当前多材料零件建模理论与制造相互孤立的问题,设计了基于三维打印工艺多材料零件设计与制造一体化数据处理框架。通过对比现有的几种三维标准格式文件,本课题选用高色彩精度的PLY格式文件为零件格式原型,该文件既可以实现几何结构快速重构和材料信息的有效存储,又能保持与多材料三维打印设备的兼容性。(2)设计了一种基于材料分布控制函数和分层轮廓环的多材料零件建模平台,该平台包括两个部分：在Z轴方向,通过材料控制函数构建三维CAD模型表面网格节点材料;在X-Y方向上,利用三维打印材料层积制造的概念,将材料控制函数映射至二维切片轮廓,二维切片轮廓环由外轮廓向内轮廓偏置特定次数,形成材料特定的子区域,从而构造三维CAD模型实体内部材料。(3)研究了基于拓扑结构的点彩色和面纹理模型分层算法,该算法不但能够获取表面轮廓的几何坐标和颜色属性值,而且可以有效重构并识别分层二维截面的内外轮廓,为材料区域的构建提供了数据基础。(4)依托课题组开发的三维打印成型平台,研究了多材料三维打印技术的成型方法并进行成型测试实验。实验表明：本课题所采用的数字化处理方法能够有效解决三维零件材料定义问题,实现了零件几何、材料和功能一体化设计与制造。论文最后总结了所做工作和创新点,并对未来的研究方向进行了展望。

关键词：多材料零件色彩模型拓扑分层层积制造快速成型

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多物理属性的体素建模方法

多物理属性的体素建模方法

作者：邢昊北京理工大学

学位级别：硕士

随着多材料零件在汽车、建筑、医疗、电子、航空航天等领域的广泛应用,为了提高其性能而进行几何结构与材料分布的优化设计变得尤为重要。为支持几何设计与材料设计同步进行的多材料拓扑优化方法,需实现几何拓扑可变的零件几何建模以及... 详细信息

随着多材料零件在汽车、建筑、医疗、电子、航空航天等领域的广泛应用,为了提高其性能而进行几何结构与材料分布的优化设计变得尤为重要。为支持几何设计与材料设计同步进行的多材料拓扑优化方法,需实现几何拓扑可变的零件几何建模以及材料分布可变的零件材料建模。当前计算机辅助设计技术在多材料零件的材料属性表达上存在不足,需研究多材料零件的离散化表达方法。多材料零件的设计除了描述外部形体的几何模型与描述内部组成的的材料模型之外,在不同的应用场景下,针对不同的物理分析过程,还需构建相应的物理属性模型。针对多材料零件的多物理属性分析过程的可视化表达,需开发相应的设计建模软件。围绕以上需求,本文主要研究实体模型的体素离散化算法、多材料零件的设计表达、物理属性建模方法以及基于体素的几何材料建模软件开发。针对零件几何的体素离散化,研究基于特征点的表面体素化算法和基于扫描填充法的内部体素化算法,以实现从三角网格模型到体素模型的转换。针对零件内部材料分布的定义与设计,为实现不同几何位置的物理属性表达,研究基于体素模型的梯度源映射方法。针对结构变形与热传导等经典物理过程,使用有限元理论构建体素模型的微单元特性描述,以实现基于体素的多物理属性建模。针对三角网格模型与体素模型的存储、转换与表达,设计其数据结构及转换算法。最后,以多材料零件的三角网格模型体素化转换及体素模型的材料颜色属性建模为主题,在Windows环境下利用OpenCASCADE几何造型内核和MFC应用程序框架,开发体素建模软件的原型,以验证所提方法的可行性与有效性。

关键词：多材料零件体素化材料建模多物理属性建模增材制造

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基于FDM工艺的多材料数字化制造技术研究

基于FDM工艺的多材料数字化制造技术研究

作者：施建平南京师范大学

学位级别：硕士

随着航天工程、生物工程、工业工程以及微机电系统等科学技术的日益迅猛发展,当今社会对产品零件的性能要求愈来愈高,由单相或均质材料构成的普通零件已常常难以满足产品对零件的功能要求,这使得基于快速成型技术的多材料零件的设计与... 详细信息

随着航天工程、生物工程、工业工程以及微机电系统等科学技术的日益迅猛发展,当今社会对产品零件的性能要求愈来愈高,由单相或均质材料构成的普通零件已常常难以满足产品对零件的功能要求,这使得基于快速成型技术的多材料零件的设计与制造成为先进制造技术领域的前沿课题之一。本文以基于FDM工艺的多材料零件数字化设计制造展开探索研究,针对多材料零件内部的材料无序分布难以表达的问题,提出了一种基于多色距离场的多材料零件模型的建模方法,采用基于多色距离场的建模方法将模型的材料信息映射成模型的色彩信息,阐述了多材料模型的材料信息与结构信息的表示方法。重点针对多材料零件难以制造的问题,本文构建了基于熔融沉积快速成形工艺的多材料零件的成形系统装置。对多材料零件成形系统的机械系统、控制系统、软件系统等展开研究。并对多材料零件成形装置的控制系统进行重点研究,完成了基于FDM工艺的多材料零件成型装置的控制系统设计开发工作。基于搭建好的成形装置,本文对多材料零件模型进行了大量的成形测试与数据分析,运用正交实验法分析研究成形过程中各影响因素及其相互组合对多材料零件成形质量的综合影响,并在此基础上对多材料零件成形的工艺参数进行优化。基于优化的工艺参数对多材料零件进行加工成形,实验结果表明成形系统各项指标和性能都已达到了设计目标。本文所设计搭建的多材料零件的成形系统平台为多材料零件的集成化设计与快速制造奠定了基础。

关键词：多材料零件快速成形数字化设计制造熔融沉积制造