非平面FFF打印框架实现了6.35倍的零件强度提升

2020年9月4日，南极熊从外媒获悉，一个由六位国际科学家组成的团队开发了一个新的计算框架，用于聚合物部件的多轴、非平面3D打印。

基于FFF的技术是通过将丝材沿着它们承受最大应力的方向排列，缓解 "薄弱点"，提高零件的整体强度。到目前为止，这项工作已经取得了一些非常有前途的结果，与传统的平面FFF打印相比，零件强度提高了6.35倍。

框架生成的曲线层的可视化，图片来自韦恩州立大学

3D打印部件的各向异性

尽管3D打印技术很先进，但仍然存在着各向异性问题。3D打印部件的机械性能往往会根据施加力的方向或轴而变化。由于众所周知的Z轴上的层间结合力较弱，这种效应在FFF打印部件中尤为明显。因此，对于需要高抗压性的工业或生产应用来说，这种工艺通常被认为是不够的。

就目前而言，有许多方法可以用来改善聚合物部件的机械性能。这包括热处理和化学处理，填充百分比和结构的变化，甚至重新设计零件的几何形状。研究团队采用了一种全新的方法，利用各向异性现象本身来控制和提高通过FFF制造的零件的强度。

多轴3D打印框架

本研究所提到的框架的核心工作原理是将3D模型分解成一系列 "强度感知 "和无碰撞的弧形工作面，就像一个非常复杂的卷曲蛋糕的抽象切片。这些弯曲的工作面可以替代平面3D打印中的传统层，但允许打印头的工具路径有更多的动态变化。

首先，计算出一个优化的治理场，从中提取出各个工作面。根据研究人员的说法，计算过程 "自然地继承了有限元分析"，工程师们使用有限元分析来模拟零件在负载下的应力分布。结果网格由一组四面体组成。

该框架将模型分解为曲线层，然后可以在5轴FDM机器上进行3D打印，图片来自韦恩州立大学

基于治理场（考虑到零件中的应力分布），推算出悬臂和桥梁的支撑结构，并生成各个曲线层。最后，对刀具路径进行了优化，使其与每个曲面中最薄弱的轴线对齐，尽可能地提高零件在每个方向上的强度。

到了测试框架的时候，一组原型被FFF打印出来，并在实验室里进行拉伸和压缩测试，以检验它们的强度。研究人员将实验测试结果描述为 "令人鼓舞"，与传统的平面3D打印相比，典型的强度增加了1.42倍-6.35倍。

更多的研究细节可以在题为 "Reinforced FDM: Multi-Axis Filament Alignment with Controlled Anisotropic Strength"的论文中找到。该论文由Guoxin Fang, Tianyu Zhang, Sikai Zhong等人共同撰写。

将模型分解并以弧形层重建以增加零件强度的过程，图片来自韦恩州立大学