3D打印零件變形分析

李蒙+李凱凱+劉琳琳+王宏斌+羅賢治+趙濤

三維打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，簡稱AM），簡稱3D打印，其依據(jù)三維CAD設(shè)計數(shù)據(jù)，采用離散材料（液體、粉末、絲、片、板、塊等）逐層累加制造物體。它改變了以往傳統(tǒng)“去除材料”的機(jī)械加工方法，利用3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品CAD模型的快速實(shí)物化，是一種全新概念的、數(shù)字化的新型快速制造技術(shù)，是“中國制造2025”目標(biāo)的重要技術(shù)之一。其基本原理是“數(shù)字模型，分層制造，逐層累加”，可以快速、精確地將設(shè)計師的設(shè)計由三維數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為二維片層信息并逐層疊加直至形成三維實(shí)體，可以最大限度地滿足每個消費(fèi)者個性化需求，對于結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜、加工難度大、無需批量化的零部件，3D打印具有強(qiáng)大競爭優(yōu)勢。

在各種增材制造工藝中，熔融沉積快速成型技術(shù)（F u s e d DepositionModeling，簡稱FDM）因其具有操作容易、運(yùn)行穩(wěn)定和系統(tǒng)安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，得到飛速發(fā)展，是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一，也是發(fā)展最快普及級商業(yè)化3D打印技術(shù)。而隨著現(xiàn)代工業(yè)水平的提高，工業(yè)生產(chǎn)中對復(fù)雜零件的要求越來越高。為了滿足高精度機(jī)械零件的裝配使用和日益提高的機(jī)械性能，對于機(jī)械零件的制備提出了更高的要求：部件結(jié)構(gòu)簡化、質(zhì)量輕質(zhì)化、成型快速化、材料利用高效化等，這促使FDM工藝進(jìn)一步發(fā)展。但FDM零件成型質(zhì)量不穩(wěn)定、零件產(chǎn)生表面精度的下降、形態(tài)彎曲變形、分層斷裂等不良現(xiàn)象以至于達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和使用要求，限制FDM工藝的進(jìn)一步發(fā)展。

熔融沉積零件成型特性

同傳統(tǒng)制造所得到的零件相比，增材制造所獲得的零件因成型工藝的不同而表現(xiàn)不同的特性，具體分別為：

1.微觀非均勻性及呈層性

增材制造零件是大量有序固化塑性材料的堆積，塑性材料在三維方向上的力學(xué)性能各不相同，且成型路徑的不同導(dǎo)致零件在微觀構(gòu)造上是不均勻的，稱為微觀非均勻性。同時零件在層與層之間由于疊加方向和下一層的掃描填充方式是非均勻的，使得層間同樣也存在不同性，表現(xiàn)出層間的非均勻性，稱為呈層性。

2.各向異性

固化單元在掃描填充的方向上由于重疊程度、固化程度不一致，且單元固化和收縮需要經(jīng)歷一定的時間，伴有熱量的發(fā)散，因此固化單元的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，如機(jī)械性能、收縮程度、聚合速率等性質(zhì)都呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，從而表現(xiàn)出微觀及宏觀各向異性。

3.性能蠕變性

對于高溫加工的增材制造零件如FDM工藝，在溫度較高時材料的黏彈性和室溫時的黏彈性有較大的區(qū)別，同時溫度會影響工程聚合物的彈性模量和屈服極限等性質(zhì)。

增材制造零件變形分析

當(dāng)零件發(fā)生變形，即使經(jīng)過簡單處理及修復(fù)之后，能夠完成裝配，但在作為運(yùn)動機(jī)構(gòu)使用過程中，它的運(yùn)動曲線或者傳動效果等都難以滿足要求，更難以發(fā)揮應(yīng)有的功能。

而對于可接受的翹曲變形，通過增加必要的生產(chǎn)工序，通過打磨、粘合等工藝，將生產(chǎn)的零件再加工以實(shí)現(xiàn)所需功能。但是隨著后期零件的使用，變形問題也會逐漸暴露出來。雖然對變形的零件加以修復(fù)，但是裝配后仍然達(dá)不到預(yù)期的效果，翹曲變形破壞了裝配的零件之間的相互關(guān)系，使用壽命也明顯縮短。因此，翹曲變形尤其是裝配零件的翹曲變形已經(jīng)成影響零件生產(chǎn)周期和成本的一個重要原因。

增材制造零件的變形是絕對的，而變形的大小是可以控制的，那么為了使變形量最小，所獲取的零件性能更優(yōu)，就必須從變形的機(jī)理研究出發(fā)。

零件變形的宏觀表現(xiàn)主要有以兩種形式：①單層和整體的翹曲變形；②整體零件的分層變形。

零件變形主要有兩個原因：

①塑性材料體積變化

制造過程中塑性材料從黏流態(tài)到玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變，材料體積收縮，而因?yàn)榧庸み^程中不同位置材料冷卻的程度不同，導(dǎo)致材料從黏流態(tài)轉(zhuǎn)變到玻璃態(tài)的速率不同，這種由于收縮速率不同導(dǎo)致材料間應(yīng)力分布不均，使得不同位置材料體積的收縮程度不同，整個零件表現(xiàn)出翹曲的現(xiàn)象。

①工藝參數(shù)對零件變形的影響

工藝參數(shù)對模型變形影響表現(xiàn)在單固化層片的層內(nèi)應(yīng)力—應(yīng)變分布及層間應(yīng)力—應(yīng)變分布，因此這兩種應(yīng)力—應(yīng)變的分布情況也是零件變形不可忽視的因素之一。材料內(nèi)部收縮程度不等同，加上對模型的位移約束以及材料單元之間相互的約束，導(dǎo)致材料內(nèi)部單元的應(yīng)力難以釋放，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，當(dāng)殘余應(yīng)力在層內(nèi)繼續(xù)集中或者在層間繼續(xù)疊加，就會導(dǎo)致一定的翹曲，當(dāng)層間應(yīng)力增大到一定值，克服了層間黏合力時候，就會導(dǎo)致模型層片分層。

功能零件的有限元仿真分析

式中，為對流換熱系數(shù)，為固體表面流體的溫度，為周圍流體的溫度。

對模型作以下基本假設(shè)：

①材料是各向同性的；

②材料初始應(yīng)力為零，服從雙線性強(qiáng)化準(zhǔn)則；

③功能零件在一層成型后即刻進(jìn)入穩(wěn)態(tài)；

④材料服從米塞斯VON Mises屈服準(zhǔn)則。

進(jìn)行有限元分析后獲得結(jié)果，如圖1所示。

通過圖1可以清楚地看到模型的位移發(fā)生明顯變化，而應(yīng)力則沒有明顯的增加，這種情況是符合客觀事實(shí)的。由分析結(jié)果可知，在不加位移約束的情況下，位移云圖最大位移量為0.24892mm，最小位移量為0.16909mm。最大位移發(fā)生在模型的4個邊角上，最小位移發(fā)生在中心孔中，當(dāng)ABS材料從黏流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的過程中，各個區(qū)域材料的收縮程度也不同，表現(xiàn)出每個區(qū)域有不同的偏移位移量，而產(chǎn)生了翹曲現(xiàn)象。這同實(shí)際增材制造的過程中表現(xiàn)的是一樣的規(guī)律。

進(jìn)行實(shí)物打印加以驗(yàn)證，結(jié)果如圖2。

通過實(shí)際打印，發(fā)現(xiàn)與有限元分析結(jié)果相同，片層最大變形發(fā)生在模型邊角，且模型整體都有一定程度的變形，說明翹曲變形是由應(yīng)力分布不均導(dǎo)致變形位移不同引起。

結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，材料內(nèi)部收縮程度不等同，導(dǎo)致材料內(nèi)部單元的應(yīng)力難以釋放，產(chǎn)生殘余應(yīng)力。當(dāng)殘余應(yīng)力在層內(nèi)繼續(xù)集中或者在層間繼續(xù)疊加，就會導(dǎo)致一定的翹曲，為減小3D打印制造零件變形奠定一定的基礎(chǔ)，但本研究在一定程度上是不完善的，還有進(jìn)一步研究的必要性。endprint