《Additive Manufacturing》：3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的翹曲預(yù)測！

2022年4月，南極熊獲悉，盧埃茲圣母大學(xué)機(jī)械工程系和耶爾森大學(xué)航空航天工程系的研究者們在《Additive Manufacturing》上發(fā)表了一項(xiàng)題為《Warping estimation of continuous fiber-reinforced composites made by robotic 3D printing》（《機(jī)械臂3D打印技術(shù)制造的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的翹曲預(yù)測》），他們給出了3D打印復(fù)合材料的熱模型，并以此對材料進(jìn)行變形分析。讓我們看看他們的研究吧！


△用于制造連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械臂3D打印機(jī)

背景
材料擠出 (MEX) 技術(shù)是一種3D打印技術(shù)，它使用噴嘴或孔徑來選擇性地沉積材料。成品的機(jī)械性能與幾何尺寸受打印平臺溫度、噴嘴溫度、印刷速度等生產(chǎn)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的影響。盡管通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) (DoE) 可以減少確定最佳3D打印設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，但仍需要大量的時(shí)間、成本和許多材料，特別是對于高性能、高溫度的復(fù)合3D打印。因此，通過模擬是一種更簡便的方法，可以減少實(shí)驗(yàn)所帶來的巨大成本。為了通過建模和仿真建立準(zhǔn)確可靠的復(fù)合材料3D打印模型，人們已經(jīng)做出了很多的研究。但目前還沒有對3D打印連續(xù)纖維復(fù)合材料中的熱場進(jìn)行模擬分析。

研究
在這項(xiàng)研究中，研究人員對3D打印連續(xù)纖維復(fù)合材料過程進(jìn)行了模擬仿真，以及3D打印過程中的變形情況進(jìn)行了預(yù)測。具體來說，他們進(jìn)行了熱模擬，然后通過熱結(jié)果進(jìn)行變形模擬預(yù)測。研究人員使用手持式激光掃描儀為根據(jù) ASTM D3039-17 制造的不同寬度的拉伸試樣進(jìn)行3D模型構(gòu)建。并且研究了構(gòu)建平臺溫度、噴嘴溫度和3D打印速度對零件最大變形的影響。


△在不同的基材厚度和不同的時(shí)間步驟下，在前一基材上沉積時(shí)的熱場。


△沉積過程中的變形

觀察
數(shù)值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的零件邊緣變形誤差小于 11.2%。由于第一次沉積沒有重新加熱任何基材，使用簡單的靜態(tài)建模方式最終導(dǎo)致了瞬態(tài)熱模擬和機(jī)械變形的非線性熱機(jī)械耦合問題。但后續(xù)的實(shí)驗(yàn)過程沒有上述問題，并且擬合良好。因此，建模方法既快速又簡單，并且能夠準(zhǔn)確地復(fù)制了最終3D打印物體的變形。通過后續(xù)的分析可知，當(dāng)構(gòu)建平臺和噴嘴溫度升高時(shí)，最大變形和殘余熱應(yīng)力減小，而隨著 3D 打印速度的增加，變形增強(qiáng)。


△實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的擬合情況

結(jié)論
本研究闡明了3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件的變形。研究者們觀察到連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的空隙對其性能有重大影響，并且發(fā)現(xiàn)3D打印具有低空隙含量的部件是較為困難的。研究者們在本研究中使用的數(shù)值模型可以將在未來的研究中得到擴(kuò)展，以預(yù)測3D 印部件的空隙含量。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102796