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(xué)會增材制造技術(shù)（3D打�。┓謺�
供稿人 楊浩、曹毅
供稿單位：西安交通大學(xué)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(xué)多尺度力學(xué)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(shè)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(jù)后采用Python進行解碼處理得到打印路徑及每個位置對應(yīng)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(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(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。對比實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的翹曲變形結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實驗結(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翹曲變形實驗及仿真結(jié)果。（a）翹曲變形實驗結(jié)果；（b）翹曲變形仿真結(jié)果；（c）翹曲變形實驗及仿真結(jié)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(yīng)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(fù)合材料的計算變形的影響。這種基于物理的模擬可能會訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)算法來學(xué)習(xí)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.