《Additive Manufacturing》：3D打印连续纤维增强复合材料的翘曲预测！

2022年4月，南极熊获悉，卢埃兹圣母大学机械工程系和耶尔森大学航空航天工程系的研究者们在《Additive Manufacturing》上发表了一项题为《Warping estimation of continuous fiber-reinforced composites made by robotic 3D printing》（《机械臂3D打印技术制造的连续纤维增强复合材料的翘曲预测》），他们给出了3D打印复合材料的热模型，并以此对材料进行变形分析。让我们看看他们的研究吧！


△用于制造连续纤维增强复合材料的机械臂3D打印机

背景
材料挤出 (MEX) 技术是一种3D打印技术，它使用喷嘴或孔径来选择性地沉积材料。成品的机械性能与几何尺寸受打印平台温度、喷嘴温度、印刷速度等生产设计和工艺参数的影响。尽管通过实验设计 (DoE) 可以减少确定最佳3D打印设计和工艺参数所需的实验次数，但仍需要大量的时间、成本和许多材料，特别是对于高性能、高温度的复合3D打印。因此，通过模拟是一种更简便的方法，可以减少实验所带来的巨大成本。为了通过建模和仿真建立准确可靠的复合材料3D打印模型，人们已经做出了很多的研究。但目前还没有对3D打印连续纤维复合材料中的热场进行模拟分析。

研究
在这项研究中，研究人员对3D打印连续纤维复合材料过程进行了模拟仿真，以及3D打印过程中的变形情况进行了预测。具体来说，他们进行了热模拟，然后通过热结果进行变形模拟预测。研究人员使用手持式激光扫描仪为根据 ASTM D3039-17 制造的不同宽度的拉伸试样进行3D模型构建。并且研究了构建平台温度、喷嘴温度和3D打印速度对零件最大变形的影响。


△在不同的基材厚度和不同的时间步骤下，在前一基材上沉积时的热场。


△沉积过程中的变形

观察
数值和实验数据之间的零件边缘变形误差小于 11.2%。由于第一次沉积没有重新加热任何基材，使用简单的静态建模方式最终导致了瞬态热模拟和机械变形的非线性热机械耦合问题。但后续的实验过程没有上述问题，并且拟合良好。因此，建模方法既快速又简单，并且能够准确地复制了最终3D打印物体的变形。通过后续的分析可知，当构建平台和喷嘴温度升高时，最大变形和残余热应力减小，而随着 3D 打印速度的增加，变形增强。


△实验数据和模拟数据的拟合情况

结论
本研究阐明了3D打印连续纤维增强复合材料零件的变形。研究者们观察到连续纤维增强复合材料中的空隙对其性能有重大影响，并且发现3D打印具有低空隙含量的部件是较为困难的。研究者们在本研究中使用的数值模型可以将在未来的研究中得到扩展，以预测3D 印部件的空隙含量。

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102796