基于光頻域反射技術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， 孫曉輝


增材制造(AM)技術俗稱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，以及打印模型主體結構的設置、力學特征分析等起著至關重要的作用。

試驗過程
基于光頻域反射技術（OFDR）進行增材制造模型內(nèi)部溫度特性研究，如圖1(a)所示，本次試驗采用的設備包括OFDR儀器（型號: OSI-S）、分布式光纖、3D打印機、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. 實驗裝置及過程

本試驗模型直徑為30 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，當模型打印到50%厚度時（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行打印封裝，直至模型剩余部分打印封裝完畢。在對模型進行打印封裝的過程中，使用OFDR儀器實時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，本試驗設計了一種直徑為1 mm的孔結構，可在模型的打印中，將光纖嵌入該孔結構中，用直徑為1mm的護套管保護分布式光纖，分布式光纖可在護套管中自由移動，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變的影響，因此該嵌入的分布式光纖可以單獨監(jiān)測PLA模型在制作過程中任一時刻不同位置的溫度變化特征。

測試結果
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，因為隨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，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。

試驗結論
通過OFDR技術將分布式光纖嵌入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構的設置分析等提供了數(shù)據(jù)支撐。