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,，目前整個增材制造過程中材料特征分析等基礎(chǔ)研究十分缺乏,。而增材制造過程中模型內(nèi)部的溫度特征對于打印耗材的選擇,，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: 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,。在對模型進(jìn)行打印封裝的過程中,，使用OFDR儀器實(shí)時(shí)記錄分布式光纖的測量數(shù)據(jù),，以便后續(xù)對打印模型的內(nèi)部溫度特征展開分析。

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，保證光纖在整個模型打印制作過程中不受到任何打印外力的干擾,，消除了打印過程中應(yīng)變的影響,，因此該嵌入的分布式光纖可以單獨(dú)監(jiān)測PLA模型在制作過程中任一時(shí)刻不同位置的溫度變化特征。

測試結(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%的密度下打印過程中不同位置的溫度變化曲線,。

圖2.  PLA在增材制造過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，在增材制造的過程中,，PLA材料各個位置的溫度變化量趨勢是一致的,，都會出現(xiàn)5個典型階段，如圖3所示,，其五個階段分別為：光纖嵌入階段,、溫度檢測孔洞封裝階段、模型填充封裝階段,、模型封頂階段,、模型溫度回歸階段。

圖3. 增材制造過程特征曲線

其中模型填充封裝階段（第Ⅲ階段）即為打印過程中模型內(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,。

每一個循環(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,，因?yàn)殡S著每一層耗材的堆疊，剛打印出來的耗材的高溫傳遞到位于模型中間的監(jiān)測光纖處時(shí),，由于傳遞過程中溫度的散失,，光纖監(jiān)測到的溫度變化量的峰值降低。

試驗(yàn)結(jié)論
通過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)測了3D打印過程中不同位置的溫度分布特征,。
通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究分析，揭示了增材制造過程中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。