借助分步仿真優(yōu)化增材制造工藝

文章來(lái)源：COMSOL

增材制造有著廣泛的應(yīng)用,，例如制造定制醫(yī)療設(shè)備、航空航天器材和藝術(shù)品,。隨著潛在用途的不斷增加,，增材制造能夠滿足需求是非常重要的。然而,，分析和優(yōu)化這個(gè)復(fù)雜的過(guò)程可能很困難,。工程技術(shù)人員能做哪些工作來(lái)克服這個(gè)挑戰(zhàn)呢？

增材制造的多功能性
增材制造是通過(guò)逐層添加444444444444一種或多種材料來(lái)創(chuàng)建三維對(duì)象的過(guò)程,。法國(guó)國(guó)立高等礦業(yè)電信學(xué)校聯(lián)盟所屬的里爾-杜埃高等國(guó)立礦業(yè)電信學(xué)校的 Frédéric Roger 教授對(duì)這種類(lèi)型的制造有如下觀點(diǎn),。（IMT 是一家法國(guó)公共機(jī)構(gòu)，致力于工程和數(shù)字技術(shù)的高等教育,、研究和創(chuàng)新,。）

Roger 教授說(shuō)，從某種意義上看,，增材制造與縫紉或編織有點(diǎn)類(lèi)似,。這兩種過(guò)程都是通過(guò)控制不同原材料的合并方式來(lái)創(chuàng)造異質(zhì)成品。在編織中,，材料通常是線和紗,，而增材制造可以使用多種材料，包括聚合物,、金屬合金,、陶瓷和復(fù)合材料,。

選擇合適的材料對(duì)于生產(chǎn)理想的成品來(lái)說(shuō)非常重要，無(wú)論是一條溫暖的毯子（上圖：我的祖母編織的）,，還是一個(gè)定制的航空航天部件（下圖）,，都是如此。

材料的廣泛性意味著增材制造可用于設(shè)計(jì)許多行業(yè)中的大量獨(dú)特物品,。例如,，Roger 提到，通過(guò)使用合適的材料和熱力學(xué)條件,，工程技術(shù)人員可以制造出能夠承受或適應(yīng)惡劣環(huán)境條件的物品,。這些物品甚至可以通過(guò)改變形狀或釋放被基質(zhì)捕獲的化學(xué)物質(zhì)（如藥物）來(lái)適應(yīng)特定的溫度或化學(xué)條件。隨著時(shí)間的推移,，轉(zhuǎn)換將為打印部件再增加一個(gè)維度,，從而產(chǎn)生“四維打印”。



有時(shí),，增材制造零件的靈感源于自然形態(tài),，比如圖中的仿生示例。

Roger 認(rèn)為,，增材制造帶來(lái)的許多機(jī)遇使其成為“不可或缺的制造工藝”,，原因是它“提供了用先進(jìn)材料開(kāi)發(fā)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的新機(jī)會(huì)”。然而,，工程技術(shù)人員必須先改進(jìn)增材制造工藝才能創(chuàng)造出這些結(jié)構(gòu),。

應(yīng)對(duì)增材制造仿真的挑戰(zhàn)
增材制造是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，因此很難研究,。這項(xiàng)技術(shù)因所涉及的材料和增材制造的具體類(lèi)型而異,。研究這個(gè)過(guò)程還需要考慮許多不同的影響因素，例如：

• 多相變
• 能量,、質(zhì)量和動(dòng)量的傳遞
• 燒結(jié)
• 光聚合
• 干燥
• 結(jié)晶
• 變形
• 應(yīng)力
  

為了分析這些因素的影響,，工程技術(shù)人員可以使用 COMSOL Multiphysics® 軟件，Roger 認(rèn)為這是“一款獨(dú)一無(wú)二的軟件,，它在增材制造仿真方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì),。”該軟件不僅能幫助工程技術(shù)人員“優(yōu)化增材制造工藝,，還能預(yù)測(cè)力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品的影響,�,！苯柚�這一軟件,，工程技術(shù)人員可以使用所有相關(guān)的物理場(chǎng)，確定理想的制造條件和零件幾何結(jié)構(gòu),，以平衡剛度,、減重和散熱的需求,。”

上：增材制造過(guò)程示例,，其中涉及許多不同的物理場(chǎng),。

下：由兩種材料制成并填充有蜂窩內(nèi)部結(jié)構(gòu)的增材制造零件示例。

他們面臨的挑戰(zhàn)在于,，在耦合相關(guān)物理場(chǎng)的同時(shí)分析增材制造過(guò)程會(huì)導(dǎo)致模型尺寸變大且計(jì)算時(shí)間變長(zhǎng),。為了克服這一難題，Roger 實(shí)施了多種不同的仿真策略,，例如激活網(wǎng)格屬性,、采用自適應(yīng)網(wǎng)格重新劃分和執(zhí)行序貫仿真。

通過(guò)采用序貫方法,，Roger 能夠更好地分析增材制造過(guò)程中材料熱力學(xué)狀態(tài)的連續(xù)性,。同時(shí)，這種方法隨著時(shí)間的推移將多物理場(chǎng)耦合解離,，有助于降低多物理場(chǎng)耦合的復(fù)雜性,。因此，序貫仿真能夠在降低計(jì)算成本的同時(shí)進(jìn)行全面建模并優(yōu)化增材制造過(guò)程,。

通過(guò)多物理場(chǎng)仿真優(yōu)化增材制造零件
在仿真過(guò)程中,，Roger 和他的團(tuán)隊(duì)成員專(zhuān)注于熔融沉積成型（FDM®），這是一種常見(jiàn)的增材制造技術(shù),，既實(shí)惠又能控制工藝參數(shù),。該研究的目的是優(yōu)化打印的熱塑性零件的內(nèi)部和外部幾何結(jié)構(gòu)，并獲得最佳性能,。為了有效實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),，團(tuán)隊(duì)成員將他們的分析分成三個(gè)部分，如下所述,。

第 1 部分：外部零件幾何結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化

在第一部分研究中,，研究人員希望盡量減小打印結(jié)構(gòu)的總重量，同時(shí)保持最大化剛度狀態(tài)的材料分布,。為此,，他們使用拓?fù)鋬?yōu)化和結(jié)構(gòu)力學(xué)分析來(lái)研究承受拉伸載荷的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

原始幾何結(jié)構(gòu)和邊界條件（上）以及通過(guò)顏色對(duì)比定義最佳形狀的楊氏模量分布（下）,。

圖片來(lái)自 COMSOL 用戶(hù)年會(huì) 2015 格勒諾布爾站的演講材料,。

通過(guò)研究，他們找到了零件的最優(yōu)形狀,，確定了形狀的中間位置具有最高應(yīng)力水平,。因此，研究人員根據(jù)應(yīng)力集中場(chǎng)將結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)域：中間的高應(yīng)力區(qū)域,，以及周?chē)�的兩個(gè)低應(yīng)力區(qū)域,。在接下來(lái)的研究中,，他們利用這些信息將特定的制造條件應(yīng)用于高應(yīng)力區(qū)域。

優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力場(chǎng),。

第 2 部分：優(yōu)化的三維零件的填充策略比較
在第二部分研究中,，研究人員主要通過(guò)測(cè)試兩種可能的填充策略來(lái)增強(qiáng)高應(yīng)力區(qū)的穩(wěn)定性：

具有可變密度的非均質(zhì)填料
多材料填料
在非均質(zhì)填料案例中，團(tuán)隊(duì)成員通過(guò)使用更高密度的填充物,，在中間高應(yīng)力區(qū)域創(chuàng)建了一個(gè)更具抵抗力的域,。同時(shí)，他們通過(guò)使用更少的材料來(lái)最小化外部區(qū)域的重量,。結(jié)果表明,，理想的幾何結(jié)構(gòu)在高應(yīng)力區(qū)包含 60% 的材料，在低應(yīng)力區(qū)包含 20% 的材料,。

使用一種密度可變的材料打印優(yōu)化的零件,。

如下圖所示，在多材料案例中,，零件的兩端使用紅色的 ABS 塑料,，中間則使用機(jī)械性能得到改進(jìn)的黑色導(dǎo)電 ABS。研究人員發(fā)現(xiàn),，他們可以用類(lèi)似于 ABS 的材料來(lái)代替導(dǎo)電 ABS,，這種類(lèi)似的材料具有增強(qiáng)的過(guò)濾器，可以增加剛度,。

使用兩種材料打印優(yōu)化的零件,。

第 3 部分：熔融熱塑性塑料沉積的傳熱分析
在優(yōu)化三維打印零件的內(nèi)部和外部設(shè)計(jì)之后，研究人員對(duì)熔融熱塑性塑料沉積過(guò)程進(jìn)行了建模,，并評(píng)估了制造參數(shù),。仿真結(jié)果幫助他們準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熱歷史、潤(rùn)濕條件,、聚合物結(jié)晶,、細(xì)絲之間的相互作用以及殘余應(yīng)力和應(yīng)變。以下示例描述了加熱和冷卻過(guò)程中的塑性應(yīng)變,。

在這項(xiàng)研究中,，研究人員還分析了薄壁管前兩層的傳熱和質(zhì)量傳遞。隨后,，他們能夠分析塑料液滴沉積過(guò)程,，并確定細(xì)絲達(dá)到熔化溫度的區(qū)域。材料沉積研究的動(dòng)畫(huà)如下所示,，其中描繪了一個(gè)熱源沿著沉積模式移動(dòng),，并將細(xì)絲加熱到熔化溫度，對(duì) ABS 液滴來(lái)說(shuō)，熔化溫度約為 230℃,。仿真中的擠出機(jī)路徑域已預(yù)先劃分了網(wǎng)格，網(wǎng)格根據(jù)擠出機(jī)的位置不斷被激活,。

通過(guò)這些仿真,，Roger 和團(tuán)隊(duì)成員預(yù)測(cè)了沉積過(guò)程中細(xì)絲之間的溫度場(chǎng)，這是影響細(xì)絲粘附的一個(gè)重要因素,。類(lèi)似的分析可以幫助研究人員比較不同的增材制造條件,，并確定特定應(yīng)用的最佳沉積策略。


增材制造仿真總結(jié)
Roger 表示,，通過(guò)這些仿真,，他的團(tuán)隊(duì)成員能夠“定義增材制造零件，使其內(nèi)部和外部架構(gòu)為零件提供最佳的工業(yè)性能,�,！碑�(dāng)然，這僅僅是將增材制造與多物理場(chǎng)仿真相結(jié)合的一個(gè)開(kāi)端,。