DFD 3Dプリンター印刷プラットフォームの耐荷重シミュレーション分析

出典: Anshi Asia Pacific 著者: Xie Yanjun

DFD-300 は、杭州 Dedi Intelligent Technology Co., Ltd. が開発した、高精度、高効率、大型を特徴とする産業グレードの FDM 3D 印刷装置です。フルシートメタルボディ、アルミ合金フレーム、軽量構造、完全密閉型ノイズ低減を備え、高精度ベアリングとボールねじを装備し、機器の動作の安定性を確保します。さらに、電源オフ再開印刷、材料不足検出、インテリジェントフォールトトレラント検出などの機能も備えており、長時間連続して安定した印刷が可能です。さまざまな大型で複雑な構造の手刷りモデルや工業用グレードの部品の印刷に適しています。このプリンターは、印刷プラットフォームの設計プロセス中に、有限要素シミュレーションを使用して、さまざまな設計スキームでの印刷プラットフォームの最大変形と応力を分析し、印刷プラットフォームの設計に対応するガイダンスを提供しました。

今号の添加剤コラムでは、DFD プリンター印刷プラットフォームの荷重支持シミュレーション解析を通じて、FDM 3D プリンターのさまざまなコンポーネントの設計と改善におけるシミュレーションの役割を紹介します。

構造モデルと材料<br /> シミュレーション解析では、図 1 に示すように、印刷プラットフォーム、印刷ベースプレート、および印刷プラットフォームと垂直移動リードスクリューを接続する構造のみを保持して、プリンターの構造モデルを簡素化しました。耐荷重シミュレーションと比較分析のために、印刷プラットフォーム用に 3 つのスキームが設計されました。設計された 3 つのスキームを図 2 に示します。

図1 簡略化された解析モデル

元のスキーム（左）、最適化されたスキーム 1（中央）、最適化されたスキーム 2（右）図 2 さまざまな印刷プラットフォーム設計スキーム各コンポーネントに使用される材料は 6061 アルミニウム合金です。計算プロセスで使用される材料パラメータの具体的な値は、表 1 に示されています。

表1
モデル処理<br /> モデルはそれに応じて簡素化されており、主な内容は次のとおりです。
（１）印刷プラットフォーム、印刷ベースプレート、および印刷プラットフォームと垂直移動リードスクリューを接続する構造のみが保持される。
（２）接続構造上のネジ穴構造を除去する。
座標系の選択:
元の座標系の構造は保持され、-Y 方向は重力加速度の方向になります。

境界条件と接触設定<br /> リードスクリュー接続構造の内壁は、実際の動作条件に応じて固定制約として設定されます。
-Y方向の重力加速度を9.8066 m/s2に設定します。
印刷ベースの上面に加わる最大荷重は 175.1N です。
固定拘束、重力加速度、および印刷ベースに適用される荷重の設定を図 3 に示します。

元のソリューションを例にとると、実際の動作条件に応じて、印刷プラットフォームの上面と印刷ベースの下端の 3 本の脚、およびリードスクリュー接続構造と印刷プラットフォームの接触部分が、図 4 に示すように、拘束接触 (拘束後、接触面間に接線方向の相対滑りや通常の分離がない) に設定されます。

固定拘束（左）、重力加速度（中央）、ビルドプレートに適用される荷重（右）図3 境界条件設定図4 接触設定
シミュレーション結果の分析
- 元のスキームの変形と応力解析結果

印刷プラットフォームの変形結果（変形を100倍に拡大）（左）印刷ベースの変形結果（変形を100倍に拡大）（右）

印刷プラットフォームの応力結果（変形を 100 倍に拡大）（左）印刷ベースプレートの応力結果（変形を 100 倍に拡大）（右）図 5 このスキームの変形および応力解析結果は、図 5（線形弾性計算結果）から確認できます。

1. 極度の負荷条件下では、印刷プラットフォームの最大変形は、印刷プラットフォームの単脚の位置で 0.21 mm です。印刷ベースの最大変形は、印刷ベースの単脚の側面で 0.22 mm です。

2. 極端な負荷条件下では、印刷プラットフォームの最大応力は 11.96MPa、印刷ベースの最大応力は 8.60MPa です。

- 最適化スキーム1の変形および応力解析結果

印刷プラットフォームの変形結果（変形を100倍に拡大）（左）印刷ベースプレートの変形結果（変形を100倍に拡大）（右）
印刷プラットフォームの応力結果（変形を 100 倍に拡大）（左）印刷ベースプレートの応力結果（変形を 100 倍に拡大）（右）図 6 最適化スキーム 1 の変形および応力解析結果は、図 6（線形弾性計算結果）から確認できます。
1. 極端な負荷条件下では、印刷プラットフォームの最大変形は印刷プラットフォームの中央で 0.033 mm です。印刷ベースの最大変形は印刷ベースの両側で 0.047 mm です。
2. 極端な負荷条件下では、印刷プラットフォームの最大応力は 6.86MPa、印刷ベースの最大応力は 5.21MPa です。

- 最適化スキーム2の変形および応力解析結果

印刷プラットフォームの変形結果（変形を100倍に拡大）（左）印刷ベースの変形結果（変形を100倍に拡大）（右）
印刷プラットフォームの応力結果（変形を 100 倍に拡大）（左）印刷ベースプレートの応力結果（変形を 100 倍に拡大）（右）図 7 最適化スキーム 2 の変形および応力解析結果を図 7 に示します（線形弾性計算結果）。
1. 極度の負荷条件下では、印刷プラットフォームの最大変形は、印刷プラットフォームの単脚の位置で 0.11 mm です。印刷ベースの最大変形は、印刷ベースの単脚の片側の両端で 0.12 mm です。

2. 極端な負荷条件下では、印刷プラットフォームの最大応力は 8.29MPa、印刷ベースの最大応力は 8.14MPa です。

結論上記の分析から、次のことがわかります。
最適化スキーム 1 と最適化スキーム 2 を使用すると、元のスキームと比較して、印刷プラットフォームと印刷ベースプレートの最大変形と最大応力が大幅に減少します。詳細な比較結果を表 2 に示します。

表2 元のスキームと最適化されたスキームの極端な作業条件下での最大変形と最大応力の比較結果一般に、シミュレーション計算は、FDM 3Dプリンターのさまざまなコンポーネントの設計と改善プロセスでガイドの役割を果たします。これにより、設計者は実際の動作条件下での対応するコンポーネントの応力と変形をより直感的に取得し、対応するコンポーネントの構造設計の合理性を分析し、プリンターの構造設計と最適化の方向性を示し、対応する機器の開発プロセスを短縮できます。

著者: 謝延軍

材料物理学と化学の博士号を持ち、材料と付加製造の分野で長年の研究開発経験があり、数多くの金属付加製造研究プロジェクトと関連技術開発業務に参加・実施してきました。現在は主に付加製造装置とプロセスに関するシミュレーションとコンサルティング業務に従事しています。

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