基于光頻域反射技術(shù)的增材制造聚乳酸酯溫度分布特征研究

來(lái)源：洪成雨課題組
作者：黃金生， 洪成雨,， 楊強(qiáng)， 孫曉輝


增材制造(AM)技術(shù)俗稱3D打印，目前整個(gè)增材制造過(guò)程中材料特征分析等基礎(chǔ)研究十分缺乏。而增材制造過(guò)程中模型內(nèi)部的溫度特征對(duì)于打印耗材的選擇,，打印工藝的調(diào)整、改進(jìn),，以及打印模型主體結(jié)構(gòu)的設(shè)置,、力學(xué)特征分析等起著至關(guān)重要的作用。

試驗(yàn)過(guò)程
基于光頻域反射技術(shù)（OFDR）進(jìn)行增材制造模型內(nèi)部溫度特性研究,，如圖1(a)所示,，本次試驗(yàn)采用的設(shè)備包括OFDR儀器（型號(hào): OSI-S）、分布式光纖,、3D打印機(jī),、PLA打印耗材等。

OFDR的采集頻率為10Hz,，空間分辨率為3.62mm,，傳感精度為±0.1℃。打印機(jī)對(duì)打印方式,、模型的填充速度,、模型的填充密度、模型的支撐方式等都具有靈活的調(diào)節(jié)方式,。

圖1. 實(shí)驗(yàn)裝置及過(guò)程

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭睆綖?0 mm,、厚度為10 mm的圓柱體，采用20%,、40%,、60%、80%和100% 這5種不同密度打印模型,。將分布式光纖嵌入到模型內(nèi)部的過(guò)程中,，當(dāng)模型打印到50%厚度時(shí)（圖1(b)所示）暫停打印，然后迅速植入分布式光纖,，并在模型兩端的卡槽處使用膠水固定光纖,。

布置好分布式光纖后進(jìn)行打印封裝，直至模型剩余部分打印封裝完畢,。在對(duì)模型進(jìn)行打印封裝的過(guò)程中,，使用OFDR儀器實(shí)時(shí)記錄分布式光纖的測(cè)量數(shù)據(jù)，以便后續(xù)對(duì)打印模型的內(nèi)部溫度特征展開(kāi)分析,。

如圖1(c)所示,，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種直徑為1 mm的孔結(jié)構(gòu)，可在模型的打印中,，將光纖嵌入該孔結(jié)構(gòu)中,，用直徑為1mm的護(hù)套管保護(hù)分布式光纖，分布式光纖可在護(hù)套管中自由移動(dòng),，保證光纖在整個(gè)模型打印制作過(guò)程中不受到任何打印外力的干擾,，消除了打印過(guò)程中應(yīng)變的影響，因此該嵌入的分布式光纖可以單獨(dú)監(jiān)測(cè)PLA模型在制作過(guò)程中任一時(shí)刻不同位置的溫度變化特征,。

測(cè)試結(jié)果
本研究完成了5組PLA不同打印填充密度的模型,，如圖2所示，分別為20%,、40%,、60%,、80%和100%的密度下打印過(guò)程中不同位置的溫度變化曲線。

圖2.  PLA在增材制造過(guò)程中不同密度的溫度變化量曲線

(a) 20%; (b) 40%; (c) 60%; (d) 80%; (e) 100%

從圖中可以看出,，在增材制造的過(guò)程中,，PLA材料各個(gè)位置的溫度變化量趨勢(shì)是一致的，都會(huì)出現(xiàn)5個(gè)典型階段,，如圖3所示,，其五個(gè)階段分別為：光纖嵌入階段、溫度檢測(cè)孔洞封裝階段,、模型填充封裝階段,、模型封頂階段、模型溫度回歸階段,。

圖3. 增材制造過(guò)程特征曲線

其中模型填充封裝階段（第Ⅲ階段）即為打印過(guò)程中模型內(nèi)溫度變化情況,。在該階段，隨著打印模型的逐層封裝,，內(nèi)部OFDR分布式光纖的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處出現(xiàn)溫度的上升與下降,，形成了該階段的溫度變化量反復(fù)循環(huán)的變化趨勢(shì)。

每一個(gè)循環(huán)代表一層耗材的堆疊,，隨著每一層耗材的堆疊,，每層的溫度變化量的峰值呈下降趨勢(shì)，因?yàn)殡S著每一層耗材的堆疊,，剛打印出來(lái)的耗材的高溫傳遞到位于模型中間的監(jiān)測(cè)光纖處時(shí),，由于傳遞過(guò)程中溫度的散失，光纖監(jiān)測(cè)到的溫度變化量的峰值降低,。

試驗(yàn)結(jié)論
通過(guò)OFDR技術(shù)將分布式光纖嵌入PLA材料模型內(nèi)部,，成功地監(jiān)測(cè)了3D打印過(guò)程中不同位置的溫度分布特征,。
通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究分析,，揭示了增材制造過(guò)程中PLA模型內(nèi)部的溫度變化情況，為打印耗材的選擇,、打印工藝的調(diào)整以及打印模型主體結(jié)構(gòu)的設(shè)置分析等提供了數(shù)據(jù)支撐,。