工业级FDM机型内部框架激光切割过程仿真分析

作者：谢琰军
来源：安世亚太

导读：目前FDM（熔融沉积成型）机型市场常见的大多为桌面机。和FDM桌面机相比较，工业级FDM机型无论在成型精度还是在成型尺寸等方面都提升了很多。

本期增材专栏文章以德迪研发的一款工业级FDM机型为研究对象，该机型具备高精度、高效率、大尺寸等特点，并且拥有全钣金机身+铝合金框架，轻量化结构，全封闭降噪，并搭配进口轴承和全新高精度滚珠丝杆，保证设备运行稳定性。此外，该机型还拥有断电续打、缺料检测、智能容错检测等功能，可实现设备长时间连续稳定打印，适用于打印各种大尺寸、结构复杂的手版模型及工业级别零件。

该机型内部某框架结构的加工方法为激光切割，本文通过分析该部件在激光切割的过程中产生的变形及最大应力，为该框架的结构设计和加工工艺选择提供相应的参考。

内部框架几何模型及材料
本次计算模型基于德迪某款工业级FDM打印机内部某框架模型进行建模。打印机内部某框架模型如图2-1所示。

图2-1内部某框架几何模型

该框架所用材料为Q235，本文计算过程中采用的Q235材料参数的具体数值见表2-1。

仿真模型的建立

本次计算模型处理是在Ansys workbench进行网格划分，单元类型采用四面体单元，具体网格划分情况见图3-1。

图3-1 网格划分情况

因为本文主要分析内部框架激光加工过程所产生的热变形和应力，因此采用瞬态热分析和瞬态结构分析耦合的方式进行计算，计算流程如图3-2所示：

图3-2 分析计算流程

计算过程需要获得激光切割速度、切割熔池宽度、激光类型、激光切割路径、加工过程固定的位置等参数。

计算过程的相关设置及假设如下：
1. 热载荷以温度的方式施加到切割边界面，边界施加的温度为Q235熔点温度；
2. 本文将内部某框架的切割面划分为9个切割面组，假定温度在各切割面组统一施加（图3-3），各切面组温度施加的起始时间为实际激光扫描速度下扫描至当前切割面的起始时间；
3. 高温温度载荷在各切割位置（内部某框架各切割面）施加的时间根据激光切割速度，切割熔池长度等进行计算；

图3-3设定的9个切割面及顺序

4. 激光切割顺序按所设计的9个切割面的编号顺序进行（图3-3）；
5. 为了分析加工过程固定位置的影响，本文根据不同的固定位置设定三个工况进行分析，详细的工况设定条件见表3-1，相应工况约束位置示意图如图3-4所示（图中零件上蓝色位置为约束位置）：

图3-4 各工况约束位置示意图

仿真计算结果及分析
由图4-1可知：单支脚约束时最大变形量为1.48mm；最大变形方向在Y的负方向，该方向的变形主要是由重力所引起；单支脚约束时，激光切割完成后最大的应力为28.36MPa；

图4-1 工况1变形及应力分析结果（30s时）

由图4-2可知：双支脚约束时最大变形量为0.12mm；最大变形方向在Y的负方向，该方向的变形主要是由重力所引起；双支脚约束时，激光切割完成后最大的应力为21.40MPa。

图4-2 工况2变形及应力分析结果（30s时）

由图4-3可知：四支脚约束时最大变形量为0.0093mm；三个方向的最大变形量相当；四支脚约束时，激光切割完成后（30s时）最大的应力为40.25MPa。

图4-3 工况3变形及应力分析结果（30s时）

1）工况3条件下，激光切割过程完成时时所造成的内部某框架变形最小，最小变形量为0.0093mm；该时间框架内最大应力为40.25MPa；

2）激光切割过程中增加约束可减小变形，但约束较多时（工况3）切割加工完成后零件内部应力增加，详细对比结果如表5-1所示：

结论
总的来说，仿真计算在3D打印机各组件的加工方式设计过程中有指导作用，它能够使得设计人员更直观的得到相应组件在实际加工工况下的应力及变形情况，分析相应组件加工方式的合理性，为打印机各组件的结构设计、加工方法的选择及加工余量的选取提供方向，缩短相应的设备开发流程。

—作者—
谢琰军
材料物理与化学专业，博士学位，多年材料及增材制造领域研发经验，参与并实施多项金属增材制造科研课题及相关技术开发工作；目前主要从事增材制造设备及工艺相关的仿真及咨询工作。