实验验证熔丝制造过程中温度分布和变形的模型

来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会
供稿人 杨浩、曹毅
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　

为了精准的得到熔丝制造（FFF）过程中工艺参数对零件变形翘曲的影响，加拿大蒙特利尔理工大学多尺度力学实验室提出了一种计算用熔丝制造工艺制造的聚乳酸（PLA）零件中所引起的过程温度分布和畸变的数值方法，其流程如图1所示。

图 1模拟FFF流程的工作流的示意图

文章假定挤出丝材的形状为理想的矩形，采用有限元方法在ABAQUS用户子程序UEPACTIVATIONVOL中进行分析，仿真主要通过以下方案进行。

首先，运算仿真过程设置了活化与非活化单元，单元活化顺序及时间通过逆向计算得到，逆向计算方法为通过切片软件得到切片数据后采用Python进行解码处理得到打印路径及每个位置对应的时间参数；其次，仿真过程中为了充分考虑各个因素对热量传递的影响，设置了6种热传导过程（挤出丝材——环境、不同层丝材、打印基板——丝材、基板加热器——基板、基板——环境、喷嘴——环境），最终实现对真实物理场仿真。

实验中零件采取Raise3D Pro2进行制造，喷嘴温度设置210℃，底板温度设置60℃，打印了典型类桥状零件。最后采用三维光学扫描仪ATOS Core重建桥状试样的外表面，得到翘曲变形的结果。对比实验结果与仿真结果的翘曲变形结果，发现实验结果与测试结果很好的吻合，如图2所示，证明了数值分析过程的正确性与有效性。

图 2翘曲变形实验及仿真结果。（a）翘曲变形实验结果；（b）翘曲变形仿真结果；（c）翘曲变形实验及仿真结果对比

此外，由于所开发的模拟方法的通用性，它可以进一步应用于灵敏度分析，以估计诸如喷嘴速度和打印路径等工艺参数的变化对各种聚合物和聚合物基复合材料的计算变形的影响。这种基于物理的模拟可能会训练机器学习算法来学习问题的基本物理，从而刺激对大量参数进行有效的分析，以找到最优组合。

参考文献：
[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.