實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證熔絲制造過(guò)程中溫度分布和變形的模型

來(lái)源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打�。┓謺�(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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

為了精準(zhǔn)的得到熔絲制造（FFF）過(guò)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(guò)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(guò)以下方案進(jìn)行。

首先，運(yùn)算仿真過(guò)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(guò)逆向計(jì)算得到，逆向計(jì)算方法為通過(guò)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(guò)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(guò)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(chǎng)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(lèi)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(cè)試結(jié)果很好的吻合，如圖2所示，證明了數(shù)值分析過(guò)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(kāi)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(lái)學(xué)習(xí)問(wèn)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.