實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證熔絲制造過程中溫度分布和變形的模型

來源：中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打印）分會(huì)
供稿人 楊浩,、曹毅
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

為了精準(zhǔn)的得到熔絲制造（FFF）過程中工藝參數(shù)對(duì)零件變形翹曲的影響，加拿大蒙特利爾理工大學(xué)多尺度力學(xué)實(shí)驗(yàn)室提出了一種計(jì)算用熔絲制造工藝制造的聚乳酸（PLA）零件中所引起的過程溫度分布和畸變的數(shù)值方法，其流程如圖1所示,。

圖 1模擬FFF流程的工作流的示意圖

文章假定擠出絲材的形狀為理想的矩形，采用有限元方法在ABAQUS用戶子程序UEPACTIVATIONVOL中進(jìn)行分析,，仿真主要通過以下方案進(jìn)行,。

首先，運(yùn)算仿真過程設(shè)置了活化與非活化單元,，單元活化順序及時(shí)間通過逆向計(jì)算得到,，逆向計(jì)算方法為通過切片軟件得到切片數(shù)據(jù)后采用Python進(jìn)行解碼處理得到打印路徑及每個(gè)位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間參數(shù)；其次,，仿真過程中為了充分考慮各個(gè)因素對(duì)熱量傳遞的影響,，設(shè)置了6種熱傳導(dǎo)過程（擠出絲材——環(huán)境,、不同層絲材、打印基板——絲材,、基板加熱器——基板,、基板——環(huán)境、噴嘴——環(huán)境）,，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)物理場仿真,。

實(shí)驗(yàn)中零件采取Raise3D Pro2進(jìn)行制造，噴嘴溫度設(shè)置210℃,，底板溫度設(shè)置60℃,，打印了典型類橋狀零件。最后采用三維光學(xué)掃描儀ATOS Core重建橋狀試樣的外表面,，得到翹曲變形的結(jié)果,。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的翹曲變形結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與測試結(jié)果很好的吻合,，如圖2所示,，證明了數(shù)值分析過程的正確性與有效性。

圖 2翹曲變形實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果,。（a）翹曲變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果,；（b）翹曲變形仿真結(jié)果；（c）翹曲變形實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果對(duì)比

此外,，由于所開發(fā)的模擬方法的通用性,，它可以進(jìn)一步應(yīng)用于靈敏度分析，以估計(jì)諸如噴嘴速度和打印路徑等工藝參數(shù)的變化對(duì)各種聚合物和聚合物基復(fù)合材料的計(jì)算變形的影響,。這種基于物理的模擬可能會(huì)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法來學(xué)習(xí)問題的基本物理,，從而刺激對(duì)大量參數(shù)進(jìn)行有效的分析，以找到最優(yōu)組合,。

參考文獻(xiàn)：
[1]        Trofimov Anton et al. Experimentally validated modeling of the temperature distribution and the distortion during the Fused Filament Fabrication process[J]. Additive Manufacturing, 2022,54: 102693.