通过顺序模拟推进增材制造

2018年3月7日

增材制造具有广泛的应用程序,例如创建定制的医疗设备,航空航天组件和艺术品。随着潜在用途持续增长的列表,这种类型的制造必须跟上需求,这一点很重要。但是,分析和优化这一复杂过程可能很困难。工程师可以如何克服这一挑战?

加法制造的多功能性

添加剂制造是通过逐层互相添加一种或多种材料来创建3D对象的过程。为了了解有关此类制造业的更多信息,我们与Lille-Douai Center的Mines Telecom Institute的FrédéricRoger教授联系。(IMT是法国公共机构,致力于高等教育,研究和工程和数字技术的创新。)

罗杰教授说,从某种意义上说,添加剂制造有点像缝纫或编织。在这两个过程中,通过控制不同原材料的合并方式来创建异质成品。在编织中,材料通常是线和纱线。但是,添加剂制造可以使用许多材料,包括聚合物,金属合金,陶瓷和复合材料。

编织毯子的照片。
航空应用定制组件的图像。

选择合适的材料对于创建理想的成品很重要,无论是温暖的毯子(左,由我的祖母编织)还是定制的航空航天部分(右)。在美国的公共领域中正确的图像Wikimedia Commons

这种广泛的材料意味着添加剂制造可用于在许多行业中设计大量独特的物体。例如,罗杰(Roger)提到,通过使用正确的材料和热力学条件,工程师可以制造经受应能或适应严重环境条件的物体。这样的物体甚至可以通过更改被困在基质中的化学物种(例如药物)来适应某些温度或化学条件。随着时间的推移,转换将为印刷零件增加另一个维度,从而导致“ 4D打印”。

受生物学启发的添加剂制造部分的照片。
有时,添加剂制造零件受到自然形式的启发,例如此处图所示的生物风格的示例。图片由FrédéricRoger提供。

罗杰(Roger)表示,加性制造业带来的许多机会使其成为“不可避免的制造过程”,因为它“提供了使用高级材料开发优化结构的新机会”。但是,在工程师可以创建这些结构之前,他们必须改善增材制造过程。

解决模拟添加剂制造的挑战

由于添加剂制造是一个复杂的过程,因此很难研究。该技术根据所涉及的材料和添加剂制造的特定类型而变化。研究此过程还需要考虑许多不同的影响,例如:

  • 多相变
  • 能量,质量和动量的转移
  • 烧结
  • 光聚合
  • 烘干
  • 结晶
  • 形变
  • 压力

为了考虑这些因素,工程师可以使用188金宝搏优惠comsolMultiphysics®软件,罗杰(Roger)提到的是“一个独特的软件,在添加剂制造的模拟中具有很大的优势。”该软件不仅可以帮助工程师“优化添加剂制造过程,还可以预测产品的机械和微观结构后果。”通过此,工程师可以包括所有相关物理,并确定理想的制造条件和部分几何形状,以平衡刚度,减轻体重和散热的需求。

一张显示添加剂制造过程的照片。
通过添加剂制造制成的两种材料制成的零件的照片。

左:添加剂制造过程的一个示例,涉及许多不同的物理。Les Pounder的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 2.0, 通过Flickr Creative Commons。右:用两种材料创建的添加剂制造部分的示例,并充满了蜂窝内部结构。图片由FrédéricRoger提供。

一个挑战是,在耦合相关物理学的同时分析添加剂制造过程可能会导致大型模型和较长的计算时间。为了克服这个问题,罗杰实施了几种不同的仿真策略,例如使用自适应重新安排和执行顺序模拟,例如激活网格性质。

通过采用顺序方法,罗杰能够更好地分析增材制造过程中材料体验的热力学状态的连续。同时,这种方法有助于通过随着时间的推移解离它们来降低多物理耦合的复杂性。因此,顺序仿真提供了一种方法,可以在降低计算成本的同时全面建模和优化添加剂制造过程。

使用多物理模拟优化加性制造部件

对于他们的模拟,Roger和他的团队专注于融合沉积建模(FDM®),这是一种常见的添加剂制造技术,既可以负担得起,又可以控制过程参数。该研究的目的是优化印刷热塑性部分的内部和外部几何形状,并实现最佳性能。为了有效地实现这些目标,团队将他们的分析分为三个部分,如下所述。

有关这项研究的更多信息,查看研究人员的论文

第1部分:外部几何形状的拓扑优化

在研究的第一部分中,研究人员希望最大程度地减少印刷结构的总重量,同时保持最大化刚度的材料分布。为此,他们使用拓扑优化和结构力学分析来研究暴露于拉伸负荷的机械结构。

添加剂制造部分的几何形状和边界条件的图像。
comsolMultiphysics®中添加剂制造部分的年轻模量分布的图。188金宝搏优惠

原始的几何和边界条件(左)以及通过颜色对比度定义最佳形状(右)的杨氏模量分布。F. Roger和P. Krawczak的左图,从他们的188金宝搏优惠comsol会议2015年格勒诺布尔演讲。正确的图像由FrédéricRoger提供。

通过研究,他们发现了该部分的最佳形状,确定形状的中间的应力水平最高。因此,研究人员根据应力浓度场将结构分为域:一个高压力的中间区域,被两个低压力区域包围。在以下研究中,他们使用此信息将特定的制造条件应用于高压力区域

制造组件优化几何形状中应力场的图。
优化几何形状中的应力场。图片由FrédéricRoger提供。

第2部分:比较优化3D部分的填充策略

在第二项研究中,研究人员的目的是通过测试两种可能的填充策略来提高高压区域的稳定性:

  1. 异质填充物可变密度
  2. 多材料填充

在异质情况下,该团队通过使用更高的填充填充物在高压力中部区域创建了更具抗性的域。同时,它们通过使用较少的材料来最大程度地减少外部区域的重量。结果表明,理想的几何形状在高压力区域中包含60%的材料,低压力区域中含有20%的材料。

通过添加剂制造打印的优化零件的照片。

使用一种具有不同密度的材料打印优化零件。F. Roger和P. Krawczak的图像,并从他们的188金宝搏优惠comsol会议2015年格勒诺布尔纸

如下所示,多材料的情况涉及在零件末端使用红色ABS塑料和黑色导电ABS,中间具有改善的机械性能。该小组发现,他们可以用类似于ABS的材料代替具有加固过滤器以增加刚度的材料。

一张带有两种材料的添加剂制造部件的照片。
使用两种材料打印优化零件。F. Roger和P. Krawczak的图像,并从他们的2015年Grenoble论文中拍摄。188金宝搏优惠

第3部分:融合热塑料沉积的传热分析

在优化了3D打印部分的内部和外部设计之后,研究人员对融合的热塑性沉积过程进行了建模,并评估了制造参数。所得的模拟帮助他们准确预测热病史,润湿条件,聚合物结晶,细丝之间的相互作用以及残余应力和菌株。下面显示了一个示例,描绘了在加热和冷却过程中的塑性应变。

激光束以及所得的塑性应变演化所照射的磁盘的融合和凝固。该分析考虑了牛顿流体流量和固体热机械性能。动画提供弗雷德里克·罗杰(FrédéricRoger)。

该研究还研究了薄壁管的前两层中的热量和传质。然后,研究人员能够分析塑料液滴沉积过程,并确定细丝达到融合温度的区域。材料沉积研究的动画如下所示。他们描绘了沿沉积模式移动的热源,并将细丝加热至融合温度,〜230°C对于ABS液滴。预先进行模拟中的挤出机路径域,并根据挤出机的位置连续激活网格。

两层圆形沉积(顶部)。移动的热源代表热的ABS沉积。两层的热膨胀(扩增了五倍),显示了移动的热源激活材料的性能(底部)。在这里,蓝色表示未激活的网格,物理特性(导热率和刚度)接近零。动画提供的弗雷德里克·罗杰(FrédéricRoger)。

使用这些模拟,罗杰和他的团队预测了沉积过程中细丝之间的温度场,这是影响丝粘附的重要因素。类似的分析可以帮助研究人员比较不同的添加剂制造条件,并确定特定应用的最佳沉积策略。

关于模拟添加剂制造的总结说明

罗杰说,这些模拟使他的团队“定义了一个内部和外部体系结构为其提供最佳工业绩效的增材制造部分。”当然,这仅仅是通过结合增材制造和多物理模拟可以实现的开始。

如果您有任何使用COMSOL多物理学来研究添加剂制造过程的提示188金宝搏优惠,请务必在下面的评论中告诉我们!

了解有关添加剂制造和3D打印的更多信息

FDM是Stratasys,Inc。的注册商标。


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