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用，例如制造定制醫(yī)療設備、航空航天器材和藝術品。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)化這個復雜的過程可能很困難。工程技術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)電信學校聯盟所屬的里爾-杜埃高等國立礦業(yè)電信學校的 Frédéric Roger 教授對這種類型的制造有如下觀點。（IMT 是一家法國公共機構，致力于工程和數字技術的高等教育、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、陶瓷和復合材料。

選擇合適的材料對于生產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計許多行業(yè)中的大量獨特物品。例如，Roger 提到，通過使用合適的材料和熱力學條件，工程技術人員可以制造出能夠承受或適應惡劣環(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捕獲的化學物質（如藥物）來適應特定的溫度或化學條件。隨著時間的推移，轉換將為打印部件再增加一個維度，從而產生“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 認為，增材制造帶來的許多機遇使其成為“不可或缺的制造工藝”，原因是它“提供了用先進材料開發(fā)優(yōu)化結構的新機會”。然而，工程技術人員必須先改進增材制造工藝才能創(chuàng)造出這些結構。

應對增材制造仿真的挑戰(zhàn)
增材制造是一個復雜的過程，因此很難研究。這項技術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、質量和動量的傳遞
• 燒結
• 光聚合
• 干燥
• 結晶
• 變形
• 應力
  

為了分析這些因素的影響，工程技術人員可以使用 COMSOL Multiphysics® 軟件，Roger 認為這是“一款獨一無二的軟件，它在增材制造仿真方面具有強大的優(yōu)勢�！痹撥浖�不僅能幫助工程技術人員“優(yōu)化增材制造工藝，還能預測力學和微觀結構對產品的影響。”借助這一軟件，工程技術人員可以使用所有相關的物理場，確定理想的制造條件和零件幾何結構，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部結構的增材制造零件示例。

他們面臨的挑戰(zhàn)在于，在耦合相關物理場的同時分析增材制造過程會導致模型尺寸變大且計算時間變長。為了克服這一難題，Roger 實施了多種不同的仿真策略，例如激活網格屬性、采用自適應網格重新劃分和執(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雜性。因此，序貫仿真能夠在降低計算成本的同時進行全面建模并優(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，既實惠又能控制工藝參數。該研究的目的是優(yōu)化打印的熱塑性零件的內部和外部幾何結構，并獲得最佳性能。為了有效實現這些目標，團隊成員將他們的分析分成三個部分，如下所述。

第 1 部分：外部零件幾何結構的拓撲優(yōu)化

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

原始幾何結構和邊界條件（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力水平。因此，研究人員根據應力集中場將結構劃分為多個域：中間的高應力區(qū)域，以及周圍的兩個低應力區(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用于高應力區(qū)域。

優(yōu)化的幾何結構中的應力場。

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高應力區(qū)的穩(wěn)定性：

具有可變密度的非均質填料
多材料填料
在非均質填料案例中，團隊成員通過使用更高密度的填充物，在中間高應力區(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。結果表明，理想的幾何結構在高應力區(qū)包含 60% 的材料，在低應力區(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，中間則使用機械性能得到改進的黑色導電 ABS。研究人員發(fā)現，他們可以用類似于 ABS 的材料來代替導電 ABS，這種類似的材料具有增強的過濾器，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部和外部設計之后，研究人員對熔融熱塑性塑料沉積過程進行了建模，并評估了制造參數。仿真結果幫助他們準確預測熱歷史、潤濕條件、聚合物結晶、細絲之間的相互作用以及殘余應力和應變。以下示例描述了加熱和冷卻過程中的塑性應變。

在這項研究中，研究人員還分析了薄壁管前兩層的傳熱和質量傳遞。隨后，他們能夠分析塑料液滴沉積過程，并確定細絲達到熔化溫度的區(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℃。仿真中的擠出機路徑域已預先劃分了網格，網格根據擠出機的位置不斷被激活。

通過這些仿真，Roger 和團隊成員預測了沉積過程中細絲之間的溫度場，這是影響細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，并確定特定應用的最佳沉積策略。


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