借助分步仿真優(yōu)化增材制造工藝

文章來源：COMSOL

增材制造有著廣泛的應(yīng)用，例如制造定制醫(yī)療設(shè)備、航空航天器材和藝術(shù)品。隨著潛在用途的不斷增加，增材制造能夠滿足需求是非常重要的。然而，分析和優(yōu)化這個復(fù)雜的過程可能很困難。工程技術(shù)人員能做哪些工作來克服這個挑戰(zhàn)呢？

增材制造的多功能性
增材制造是通過逐層添加444444444444一種或多種材料來創(chuàng)建三維對象的過程。法國國立高等礦業(yè)電信學(xué)校聯(lián)盟所屬的里爾-杜埃高等國立礦業(yè)電信學(xué)校的 Frédéric Roger 教授對這種類型的制造有如下觀點(diǎn)。（IMT 是一家法國公共機(jī)構(gòu)，致力于工程和數(shù)字技術(shù)的高等教育、研究和創(chuàng)新。）

Roger 教授說，從某種意義上看，增材制造與縫紉或編織有點(diǎn)類似。這兩種過程都是通過控制不同原材料的合并方式來創(chuàng)造異質(zhì)成品。在編織中，材料通常是線和紗，而增材制造可以使用多種材料，包括聚合物、金屬合金、陶瓷和復(fù)合材料。

選擇合適的材料對于生產(chǎn)理想的成品來說非常重要，無論是一條溫暖的毯子（上圖：我的祖母編織的），還是一個定制的航空航天部件（下圖），都是如此。

材料的廣泛性意味著增材制造可用于設(shè)計許多行業(yè)中的大量獨(dú)特物品。例如，Roger 提到，通過使用合適的材料和熱力學(xué)條件，工程技術(shù)人員可以制造出能夠承受或適應(yīng)惡劣環(huán)境條件的物品。這些物品甚至可以通過改變形狀或釋放被基質(zhì)捕獲的化學(xué)物質(zhì)（如藥物）來適應(yīng)特定的溫度或化學(xué)條件。隨著時間的推移，轉(zhuǎn)換將為打印部件再增加一個維度，從而產(chǎn)生“四維打印”。



有時，增材制造零件的靈感源于自然形態(tài)，比如圖中的仿生示例。

Roger 認(rèn)為，增材制造帶來的許多機(jī)遇使其成為“不可或缺的制造工藝”，原因是它“提供了用先進(jìn)材料開發(fā)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的新機(jī)會”。然而，工程技術(shù)人員必須先改進(jìn)增材制造工藝才能創(chuàng)造出這些結(jié)構(gòu)。

應(yīng)對增材制造仿真的挑戰(zhàn)
增材制造是一個復(fù)雜的過程，因此很難研究。這項(xiàng)技術(shù)因所涉及的材料和增材制造的具體類型而異。研究這個過程還需要考慮許多不同的影響因素，例如：

• 多相變
• 能量、質(zhì)量和動量的傳遞
• 燒結(jié)
• 光聚合
• 干燥
• 結(jié)晶
• 變形
• 應(yīng)力
  

為了分析這些因素的影響，工程技術(shù)人員可以使用 COMSOL Multiphysics® 軟件，Roger 認(rèn)為這是“一款獨(dú)一無二的軟件，它在增材制造仿真方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢�！痹撥浖�不僅能幫助工程技術(shù)人員“優(yōu)化增材制造工藝，還能預(yù)測力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品的影響�！苯柚�這一軟件，工程技術(shù)人員可以使用所有相關(guān)的物理場，確定理想的制造條件和零件幾何結(jié)構(gòu)，以平衡剛度、減重和散熱的需求�！�

上：增材制造過程示例，其中涉及許多不同的物理場。

下：由兩種材料制成并填充有蜂窩內(nèi)部結(jié)構(gòu)的增材制造零件示例。

他們面臨的挑戰(zhàn)在于，在耦合相關(guān)物理場的同時分析增材制造過程會導(dǎo)致模型尺寸變大且計算時間變長。為了克服這一難題，Roger 實(shí)施了多種不同的仿真策略，例如激活網(wǎng)格屬性、采用自適應(yīng)網(wǎng)格重新劃分和執(zhí)行序貫仿真。

通過采用序貫方法，Roger 能夠更好地分析增材制造過程中材料熱力學(xué)狀態(tài)的連續(xù)性。同時，這種方法隨著時間的推移將多物理場耦合解離，有助于降低多物理場耦合的復(fù)雜性。因此，序貫仿真能夠在降低計算成本的同時進(jìn)行全面建模并優(yōu)化增材制造過程。

通過多物理場仿真優(yōu)化增材制造零件
在仿真過程中，Roger 和他的團(tuán)隊成員專注于熔融沉積成型（FDM®），這是一種常見的增材制造技術(shù)，既實(shí)惠又能控制工藝參數(shù)。該研究的目的是優(yōu)化打印的熱塑性零件的內(nèi)部和外部幾何結(jié)構(gòu)，并獲得最佳性能。為了有效實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，團(tuán)隊成員將他們的分析分成三個部分，如下所述。

第 1 部分：外部零件幾何結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化

在第一部分研究中，研究人員希望盡量減小打印結(jié)構(gòu)的總重量，同時保持最大化剛度狀態(tài)的材料分布。為此，他們使用拓?fù)鋬?yōu)化和結(jié)構(gòu)力學(xué)分析來研究承受拉伸載荷的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

原始幾何結(jié)構(gòu)和邊界條件（上）以及通過顏色對比定義最佳形狀的楊氏模量分布（下）。

圖片來自 COMSOL 用戶年會 2015 格勒諾布爾站的演講材料。

通過研究，他們找到了零件的最優(yōu)形狀，確定了形狀的中間位置具有最高應(yīng)力水平。因此，研究人員根據(jù)應(yīng)力集中場將結(jié)構(gòu)劃分為多個域：中間的高應(yīng)力區(qū)域，以及周圍的兩個低應(yīng)力區(qū)域。在接下來的研究中，他們利用這些信息將特定的制造條件應(yīng)用于高應(yīng)力區(qū)域。

優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力場。

第 2 部分：優(yōu)化的三維零件的填充策略比較
在第二部分研究中，研究人員主要通過測試兩種可能的填充策略來增強(qiáng)高應(yīng)力區(qū)的穩(wěn)定性：

具有可變密度的非均質(zhì)填料
多材料填料
在非均質(zhì)填料案例中，團(tuán)隊成員通過使用更高密度的填充物，在中間高應(yīng)力區(qū)域創(chuàng)建了一個更具抵抗力的域。同時，他們通過使用更少的材料來最小化外部區(qū)域的重量。結(jié)果表明，理想的幾何結(jié)構(gòu)在高應(yīng)力區(qū)包含 60% 的材料，在低應(yīng)力區(qū)包含 20% 的材料。

使用一種密度可變的材料打印優(yōu)化的零件。

如下圖所示，在多材料案例中，零件的兩端使用紅色的 ABS 塑料，中間則使用機(jī)械性能得到改進(jìn)的黑色導(dǎo)電 ABS。研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以用類似于 ABS 的材料來代替導(dǎo)電 ABS，這種類似的材料具有增強(qiáng)的過濾器，可以增加剛度。

使用兩種材料打印優(yōu)化的零件。

第 3 部分：熔融熱塑性塑料沉積的傳熱分析
在優(yōu)化三維打印零件的內(nèi)部和外部設(shè)計之后，研究人員對熔融熱塑性塑料沉積過程進(jìn)行了建模，并評估了制造參數(shù)。仿真結(jié)果幫助他們準(zhǔn)確預(yù)測熱歷史、潤濕條件、聚合物結(jié)晶、細(xì)絲之間的相互作用以及殘余應(yīng)力和應(yīng)變。以下示例描述了加熱和冷卻過程中的塑性應(yīng)變。

在這項(xiàng)研究中，研究人員還分析了薄壁管前兩層的傳熱和質(zhì)量傳遞。隨后，他們能夠分析塑料液滴沉積過程，并確定細(xì)絲達(dá)到熔化溫度的區(qū)域。材料沉積研究的動畫如下所示，其中描繪了一個熱源沿著沉積模式移動，并將細(xì)絲加熱到熔化溫度，對 ABS 液滴來說，熔化溫度約為 230℃。仿真中的擠出機(jī)路徑域已預(yù)先劃分了網(wǎng)格，網(wǎng)格根據(jù)擠出機(jī)的位置不斷被激活。

通過這些仿真，Roger 和團(tuán)隊成員預(yù)測了沉積過程中細(xì)絲之間的溫度場，這是影響細(xì)絲粘附的一個重要因素。類似的分析可以幫助研究人員比較不同的增材制造條件，并確定特定應(yīng)用的最佳沉積策略。


增材制造仿真總結(jié)
Roger 表示，通過這些仿真，他的團(tuán)隊成員能夠“定義增材制造零件，使其內(nèi)部和外部架構(gòu)為零件提供最佳的工業(yè)性能。”當(dāng)然，這僅僅是將增材制造與多物理場仿真相結(jié)合的一個開端。