實驗驗證熔絲制造過程中溫度分布和變形的模型

來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打印）分會
供稿人 楊浩、曹毅
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

為了精準的得到熔絲制造（FFF）過程中工藝參數(shù)對零件變形翹曲的影響，加拿大蒙特利爾理工大學多尺度力學實驗室提出了一種計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中進行分析，仿真主要通過以下方案進行。

首先，運算仿真過程設置了活化與非活化單元，單元活化順序及時間通過逆向計算得到，逆向計算方法為通過切片軟件得到切片數(shù)據后采用Python進行解碼處理得到打印路徑及每個位置對應的時間參數(shù)；其次，仿真過程中為了充分考慮各個因素對熱量傳遞的影響，設置了6種熱傳導過程（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），最終實現(xiàn)對真實物理場仿真。

實驗中零件采取Raise3D Pro2進行制造，噴嘴溫度設置210℃，底板溫度設置60℃，打印了典型類橋狀零件。最后采用三維光學掃描儀ATOS Core重建橋狀試樣的外表面，得到翹曲變形的結果。對比實驗結果與仿真結果的翹曲變形結果，發(fā)現(xiàn)實驗結果與測試結果很好的吻合，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翹曲變形實驗及仿真結果。（a）翹曲變形實驗結果；（b）翹曲變形仿真結果；（c）翹曲變形實驗及仿真結果對比

此外，由于所開發(fā)的模擬方法的通用性，它可以進一步應用于靈敏度分析，以估計諸如噴嘴速度和打印路徑等工藝參數(shù)的變化對各種聚合物和聚合物基復合材料的計算變形的影響。這種基于物理的模擬可能會訓練機器學習算法來學習問題的基本物理，從而刺激對大量參數(shù)進行有效的分析，以找到最優(yōu)組合。

參考文獻：
[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.