熔融沉積快速成型技術(shù)中掃描填充速度的模擬與實驗研究*

邱曉云　龐學(xué)勤　范麗榮　任　翀

(①內(nèi)蒙古科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010；②內(nèi)蒙古科技大學(xué)機械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

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熔融沉積快速成型技術(shù)中掃描填充速度的模擬與實驗研究*

邱曉云①龐學(xué)勤②范麗榮①任翀①

(①內(nèi)蒙古科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010；②內(nèi)蒙古科技大學(xué)機械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

基于熔融沉積快速成型試件在成型后的質(zhì)量精度問題，主要以掃描填充速度為研究點，通過軟件模擬與試件具體的成型實驗探究了掃描填充速度大小對試件成型質(zhì)量的影響。在軟件模擬中運用高斯熱源模型，攻克了噴頭熱源處理不恰當(dāng)和掃描填充速度難以模擬的難題，研究分析后發(fā)現(xiàn)不同掃描填充速度對成型試件的力學(xué)性能有影響。在具體成型實驗中，通過成型出在不同掃描填充速度下所成型的試件后，再依次進行關(guān)于試件數(shù)據(jù)的測量。模擬結(jié)果與成型實驗最終表明：在熔融沉積成型制造時選擇適當(dāng)?shù)膾呙杼畛渌俣瓤梢杂行p小成型件的應(yīng)力和成型后的殘余應(yīng)力，并有助于使成型產(chǎn)品獲得較高的質(zhì)量精度。

熔融沉積快速成型；質(zhì)量精度；掃描填充速度；高斯熱源模型；成型實驗

熔融沉積快速成型技術(shù)，同時也可稱為絲狀材料選擇性熔覆，它是二十世紀(jì)末一種新興制造技術(shù)，這種制造技術(shù)打破了傳統(tǒng)“去除材料式”的加工方法，大膽變革了原有加工方式，開發(fā)出了“材料添加式”的新型加工制造方法，由于這種成型制造設(shè)備方便攜帶，而且制造效率高，現(xiàn)階段已經(jīng)被各個相關(guān)行業(yè)運用到自身所需的領(lǐng)域。當(dāng)下熔融沉積快速成型技術(shù)也已經(jīng)成為了快速成型制造技術(shù)的研究與開發(fā)熱點。

同其它類型的制造方法做比較，熔融沉積快速成型技術(shù)擁有以下幾方面的特點：(1)制造快速性。(2)高度集成化。(3)柔性制造性。(4)制造所需的費用與材料成本相對低廉。(5)與加工產(chǎn)品的復(fù)雜程度無關(guān)。(6)成型材料的選擇范圍廣。

1　熔融沉積快速成型技術(shù)的成型原理及掃描填充過程的特點

1.1熔融沉積快速成型技術(shù)的成型原理

熔融沉積技術(shù)的成型過程主要分兩步：(1)通過計算機把需要成型的三維虛擬模型導(dǎo)入到設(shè)備儀器內(nèi)，讓計算機處理模型信息，使制造設(shè)備能夠識別所需要成型模型的具體數(shù)據(jù)信息。(2)計算機參與控制成型設(shè)備，通過軟件驅(qū)動來合理協(xié)調(diào)送絲機構(gòu)、工作臺升降系統(tǒng)以及成型噴頭運行系統(tǒng)，最后使成型設(shè)備完成產(chǎn)品制造。其技術(shù)的核心思想就是采用“離散整體+處理整體與個體+堆積個體”的理念。下面簡要介紹熔融沉積快速成型設(shè)備，其成型設(shè)備主要由四部分構(gòu)成：(1)送絲機構(gòu)。(2)成型材料擠出噴頭。(3)定位掃描機構(gòu)。(4)成型平臺。圖1所示為成型設(shè)備簡圖。

1.2熔融沉積快速成型技術(shù)中掃描填充過程的特點

熔融沉積快速成型技術(shù)的掃描填充過程主要有以下幾個特點[1]：(1)定位掃描系統(tǒng)與送絲系統(tǒng)分屬于兩個不同的控制機構(gòu)，兩者分別管控著掃描填充速度和成型材料進給速度，兩者速度必須協(xié)調(diào)一致，這是保證可以成型的最基本條件之一。(2)掃描填充路徑不可能始終為直線，即使所加工成型的制件相對簡單，掃描填充方向也會發(fā)生相應(yīng)變更，一旦掃描路徑發(fā)生改變，勢必會引起掃描填充速度產(chǎn)生瞬時變化[2]。如圖2所示，不管是長邊掃描還是短邊掃描，掃描方向均會發(fā)生變化。(3)在不同的掃描填充速度下，由于掃描填充后材料冷卻速率不一致，這就使試件在成型后存在由溫度變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，這種由于不同掃描填充速度所影響的應(yīng)力變化會伴隨著工件從成型開始至成型結(jié)束，而最終由于誤差積累效應(yīng)可能會讓試件產(chǎn)生翹曲變形[3-4]。(4)試件在掃描填充時，噴頭作為一個熱源會在指定路徑上運動，此移動熱源將對試件熱應(yīng)力產(chǎn)生有不可忽視的作用[4]。

2　掃描填充過程的模擬

2.1成型材料的介紹

熔融沉積快速成型所用的成型材料大多數(shù)為ABS塑料，因為其抗沖擊強度高，化學(xué)穩(wěn)定性強，阻燃，高耐熱，高耐腐等綜合性能相對較好，所以適于制作一般的塑性機械零件。當(dāng)ABS塑性材料溫度處于210～260 ℃時，該材料處于不完全熔融態(tài)，即材料狀態(tài)開始從固態(tài)往液態(tài)過渡，通常材料加熱到250～280 ℃會變成熔融態(tài)，然后材料將在成型設(shè)備中開始成型[5]。

2.2設(shè)定模擬前提條件

在相關(guān)模擬計算前要先規(guī)定模擬實驗條件。模擬時把試件的初始溫度設(shè)置為室溫狀態(tài)下的溫度，噴頭熱源溫度為280 ℃。工件所有外表面均設(shè)置為常溫環(huán)境下的對流換熱系數(shù)，成型環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃。在計算過程中要對模型表面邊界不施加任何載荷條件。這是因為在后面的模擬運算過程中會由于不同的掃描填充速度產(chǎn)生分布不均的應(yīng)力，而不施加任何載荷條件的目的就是為了只考慮模擬因子對模型的應(yīng)力影響[6]。

本文研究所用的掃描路徑是“L”型。結(jié)合實際生產(chǎn)，在不同掃描填充速度下“L”型路徑在掃描方向發(fā)生變化時存在瞬時速度變化，所以這種路徑更能說明掃描填充速度與應(yīng)力變化的關(guān)系。

2.3具體模擬采用的技術(shù)路線及分析原理

關(guān)于模擬所采用的技術(shù)路線，主要運用以下兩種技術(shù)方法，分別為高斯熱源模型和單元生死技術(shù)[7-8]。

在不同掃描填充速度下由于噴頭熱源移動的影響，在材料填充成型過程中一定存在熱源流場與應(yīng)力場的耦合作用，所以模擬時需引入高斯熱源概念。此方法可以解決在高溫狀態(tài)下的瞬態(tài)集中熱問題。應(yīng)用原理：計算時需要使熱源通過特定的面積(熱源噴頭假設(shè)為一個理想化的球體，其過圓心的任意截面為特定面積)，然后將這個熱值原點近似地用高斯數(shù)學(xué)模型來進行描述，之后再通過高斯模型將熱源轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟崃飨碌臒岚唿c[7]，最后通過設(shè)定的熱流密度將熱能映射給工件。運用此方法可以精確地描述出噴頭所攜帶的熱值。其中噴頭熱中心距任意點的熱流密度為：

(1)

式中：q(r)為熱源轉(zhuǎn)變后在特定熱流下的熱流密度；qm為噴頭所代替的特定面積下的最大熱流密度；r為理想假設(shè)下的熱源噴頭半徑；R為熱源噴頭到成型層的有效半徑。其中qm可表達為

(2)

式中：Q為計算后的熱值；R為熱源噴頭到成型層的有效半徑。

2.4模型的建立以及求解

下面以實際成型的模型為范例進行模擬。模型總高度為58 mm，底座高10 mm，底座上有內(nèi)徑為8 mm的孔。選擇尺寸為2.5 mm×2.5 mm×2.5 mm的體單元進行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖3所示。

在運算前需設(shè)計熱噴頭源的運行路徑，具體方法是采用軟件命令流語言程序，通過命令語句建立時間與位移的函數(shù)，在時間項上添加溫度載荷并引入高斯熱源模型。這樣就可使掃描填充路徑上伴有熱源移動后的溫度流場，且這個溫度流場變化規(guī)律也符合實際加工情況。

3　模擬結(jié)果分析

結(jié)合熱源噴頭“L”型的移動路徑，模擬出掃描填充速度為2 mm/s時的溫度分布云圖，如圖4所示。本次模擬一共選擇4個不同的掃描填充移動速度來進行分析，掃描填充速度分別為v=2 mm/s、v=5 mm/s、v=10 mm/s和v=20 mm/s。

在得到掃描填充速度為2 mm/s時的溫度分布云圖后，同時查看其應(yīng)力分布圖，如圖5所示。

從圖5中可以觀察到在1 337節(jié)點處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。此節(jié)點正是掃描路徑方向即將發(fā)生變化時的一個特殊點，故主要從1 337處節(jié)點進行研究，分析此節(jié)點在不同掃描填充速度下的X、Y和Z方向上的應(yīng)力-時間關(guān)系。

圖6～9分別表示掃描填充速度為2 mm/s、5 mm/s、10 mm/s和20 mm/s時1 337節(jié)點X方向上的應(yīng)力-時間曲線圖。

經(jīng)過計算后同樣可得出在不同掃描填充速度下，1 337節(jié)點處Y方向和Z方向上的應(yīng)力與時間變化曲線。最后繪制在X方向、Y方向和Z方向上速度與應(yīng)力關(guān)系表，如表1～3所示。

表1X方向上速度與應(yīng)力關(guān)系

掃描填充速度/(mm/s)最大應(yīng)力值/Pa殘余應(yīng)力值/Pa21.71.3751.981.75102.1251.82022.317.8

表2Y方向上速度與應(yīng)力關(guān)系

掃描填充速度/(mm/s)最大應(yīng)力值/Pa殘余應(yīng)力值/Pa2-3.55-3.555-17.2-16.010-21.0-18.320-62.5-45.8

表3Z方向上速度與應(yīng)力關(guān)系

掃描填充速度/(mm/s)最大應(yīng)力值/Pa殘余應(yīng)力值/Pa23.152.25526.420.21032.828.42038.532.5

本節(jié)小結(jié)：在實際成型加工中，成型絲材剛從噴頭中擠噴出來時會伴有一定溫度，但是隨著成型制造繼續(xù)進行，絲材溫度會逐漸下降，此時噴頭的運動速度，即掃描填充速度的數(shù)值大小將會對成型試件的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生影響。因為一旦掃描填充速度過快，將會使新成型層的散熱效果變差且使正在成型的試件冷卻速度變慢，由于溫度與熱的影響也將導(dǎo)致試件的熱應(yīng)力增大，最終影響制件的成型質(zhì)量；如果成型時過多降低掃描填充速度，雖然可以保證成型試件的質(zhì)量精度，但是這無疑將延長制造時間，并使成型效率大大降低。從上述數(shù)據(jù)中也可發(fā)現(xiàn)在X、Y和Z三種方向下，隨著掃描填充速度增加，最大應(yīng)力和殘余應(yīng)力均同比增大。

4　實驗與分析

4.1實驗

下面通過具體相關(guān)實驗對上述模擬計算進行驗證。實驗中所用的成型設(shè)備為SW2502型熔融沉積快速成型機，成型材料為ABS-B601工程塑性，該材料玻璃態(tài)溫度為110 ℃，材料熔融態(tài)溫度為210～280 ℃。

具體實驗內(nèi)容：運用上節(jié)所模擬的四種不同掃描填充速度，分別制造出具體的成型試件。在不同的掃描填充速度下分別選用黃色材料與白色材料各自成型3個試件，如圖10所示，從左至右試件的掃描填充速度依次為2 mm/s、5 mm/s、10 mm/s和20 mm/s。

首先直接觀察已生產(chǎn)出試件的表面質(zhì)量精度和翹曲變形程度，如圖11所示，從左至右掃描填充速度依次為v=2 mm/s、v=5 mm/s、v=10 mm/s和v=20 mm/s情況下成型的試件。從圖11中可以看出第三個試件和第四個試件側(cè)面下部部位表面質(zhì)量相對較差，且同時伴有浮絲現(xiàn)象以及輕微翹曲變形；從圖12中可以看出第三個試件和第四個試件底部均出現(xiàn)一定的翹腳現(xiàn)象。

4.2數(shù)據(jù)測量與分析

通過觀察后，再運用外徑千分尺和內(nèi)徑千分尺分別對6組試件的整體最大高度、底座厚度和底座孔內(nèi)徑進行測量。6組數(shù)據(jù)值分別記錄在表4～9中。

表4第一組試件的測量值

掃描填充速度/(mm/s)整體最大高度/mm底座最小厚度/mm底座孔內(nèi)徑/mm258.1310.188.06558.2010.128.131058.269.838.092058.229.618.16

表5第二組試件的測量值

掃描填充速度/(mm/s)整體最大高度/mm底座最小厚度/mm底座孔內(nèi)徑/mm258.0710.028.03558.119.898.081058.219.548.112058.239.468.19

表6第三組試件的測量值

掃描填充速度/(mm/s)整體最大高度/mm底座最小厚度/mm底座孔內(nèi)徑/mm258.109.988.09558.139.698.131058.249.418.202058.319.178.15

表7第四組試件的測量值

掃描填充速度/(mm/s)整體最大高度/mm底座最小厚度/mm底座孔內(nèi)徑/mm258.179.987.97558.209.708.061058.199.448.122058.239.227.83

表8第五組試件的測量值

掃描填充速度/(mm/s)整體最大高度/mm底座最小厚度/mm底座孔內(nèi)徑/mm258.039.88.7.94558.089.808.031058.239.247.862058.188.797.76

從材料物理屬性分析，絲材ABS-B601工程塑料有0.2%～0.3%的線收縮率，其熱膨脹率在120 ℃時為0.65%，此后隨著材料溫度的升高熱膨脹率也將基本保持不變[5]。所以試件成型后的實際尺寸與模型的理想尺寸不會相差過大。

表9第六組試件的測量值

掃描填充速度/(mm/s)整體最大高度/mm底座最小厚度/mm底座孔內(nèi)徑/mm258.1010.068.10558.1910.108.061058.219.948.142058.339.388.22

通過對上述6組在不同掃描填充速度下成型的試件進行測量后，對相同掃描填充速度下的成型試件的整體最大高度、底座最小厚度和底座孔內(nèi)徑進行平均值計算，得出如表10所示的數(shù)據(jù)。

表10試件整體最大高度、底座最小厚度和底座孔內(nèi)徑的平均值

掃描填充速度/(mm/s)整體最大高度/mm底座最小厚度/mm底座孔內(nèi)徑/mm258.10810.0298.038558.1529.8878.0741058.2139.5678.1332058.259.2828.156

5　結(jié)語

(1)通過模擬分析在X方向、Y方向和Z方向上的最大應(yīng)力值和殘余應(yīng)力值表明，當(dāng)掃描填充速度為2 mm/s時所產(chǎn)生的最大應(yīng)力和殘余應(yīng)力是最小的。隨著掃描填充速度的增加，最大應(yīng)力值與殘余應(yīng)力值也逐漸增加；通過實驗后對成型試件的觀察以及對試件尺寸的測量可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掃描填充速度為2 mm/s時，成型試件的質(zhì)量精度是最好的，無論是比較整體最大高度、底座最小厚度還是底座孔內(nèi)徑，所有測量數(shù)據(jù)值均趨向于理想模型的尺寸。

(2)通過對模擬結(jié)論的分析和實際成型實驗可得到如下結(jié)論:試件在成型制造過程中掃描填充速度的快慢將直接影響著試件成型時內(nèi)應(yīng)力的大小。掃描填充速度與試件成型后所受應(yīng)力呈正相關(guān)變化趨勢，即當(dāng)掃描填充速度增加時，試件內(nèi)應(yīng)力也會增大。由于試件在較大的掃描填充速度下成型會導(dǎo)致試件內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力增大，而內(nèi)應(yīng)力又是誘導(dǎo)試件出現(xiàn)嚴(yán)重翹曲變形的直接因素，所以過高的掃描填充速度將嚴(yán)重影響試件的質(zhì)量精度。

(3)熔融沉積快速成型產(chǎn)品在大批量生產(chǎn)的條件下，如果同時考慮質(zhì)量因素與經(jīng)濟因素，那么選擇掃描填充速度為5 mm/s時的經(jīng)濟性更高。雖然分析后發(fā)現(xiàn)掃描填充速度為2 mm/s時試件所受應(yīng)力最小，但是過低的掃描填充速度將大幅降低產(chǎn)品的生產(chǎn)率，而且縱向比較可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掃描填充速度為5 mm/s時試件所產(chǎn)生的最大應(yīng)力值與殘余應(yīng)力值并沒有比速度為2 mm/s時的高很多。從實驗組中也可觀察到，在相對較低的兩種掃描填充速度下所成型試件的表面質(zhì)量精度均相對較高。如果選擇在相對較高的掃描填充速度下制造試件，雖然生產(chǎn)率可以得到很大提升，但是極易生產(chǎn)出廢件。如圖13所示，在掃描填充速度為20 mm/s下生產(chǎn)的試件，由于掃描填充速度過快出現(xiàn)脫絲現(xiàn)象從而導(dǎo)致熱噴頭烤焦成型材料的情況。

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Study on the scanning filling velocity of fused deposition molding rapid prototyping technology in simulation and experiment

QIU Xiaoyun①，PANG Xueqin②，F(xiàn)AN Lirong①，REN Chong①

(①Engineering Training Centre, Inner Mongolia University of Science & Technology,Baotou 014010, CHN；②Mechanical Engineering School, Inner Mongolia University of Science & Technology,Baotou 014010, CHN)

In this paper, we mainly study the influence of scanning filling velocity on the forming quality of specimen by software simulation and experiment, which based on fused deposition modeling rapid prototyping quality accuracy of test specimens. Through the use of Gaussian model, we solved the heat source and filling speed problems, which is difficult to simulate on the problem. At the same time, we found the effect of different scanning filling velocity on the mechanical properties of the specimens. In the experiment, we created a test specimen with different scanning speeds, and then made the measurement of the quality data in turn. The simulation results and the experimental results show that selecting proper scanning filling velocity can effectively reduce the stress and residual stress in the forming of specimens, and it is helpful to obtain the high quality precision.

fused deposition modeling rapid prototyping technology;precision of molding;scanning filling velocity;Gaussian heat model;experiments

TP391

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.001

邱曉云，女，1962年生，高級實驗師，主要從事先進制造技術(shù)方面的研究。

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2016-06-07)

161005

*內(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳研究項目(NJSZ13132)；內(nèi)蒙古科技大學(xué)自然科學(xué)類創(chuàng)新基金項目(2014QDL053)