塑料&复合材料增材制造工艺的多尺度建模

CAE大拿

按照其定义，增材制造与减材制造相对，可重组大量的制造过程——允许使用3D数字CAD模型创造零件，通过沉积材料逐层组建部件。因此，增材制造不需要特定的模具设计。通过使用增材制造工艺，可在成本不变的情况下花费更少的时间完成数量少、结构复杂的零件生产。由于轻量化在汽车和航空航天市场中已经成为首要设计因素，因此通过直接制造组件来减少零件数量成为一种非常有前景的收益方式。

增材制造所特有的栅格结构也越来越吸引行业寻求机械性能与低密度的最佳优化。增材制造(AM)技术所提供的这些方法可以成功地使打印零件的重量减轻百分之几十。

AM技术的其他优势：

• 更集成化/功能性的零件
• 产品生命周期：降低成本并缩短上市时间
• 按需生产/ 定制化服务
  
  

       - 废旧产品

       - 医疗和牙科

       - 航空航天

• 减少材料用量（轻质设计或减少生产浪费）
• 减少能源消耗（无需移除材料）
• 无需进行加工
• 快速精益开发
  
  

直到近年来，3D打印还仅限于快速的视觉原型设计。塑料的增材制造正经历模式转变，因为行业现在正寻求将这种技术作为一种全面的生产技术，以实现定制化设计并提供新的轻量化解决方案，而这些都是通过其他制造过程所无法实现的。

为开发这一制造技术的全部潜能，工艺工程师和终端用户需要使用预测性仿真工具。该制造工艺的仿真方法可以在近乎零边际成本的情况下帮助用户快速探索工艺参数对工艺质量和零件保真度的敏感度，或在打印零件前发现设计决策的影响。

建模方法

AM过程仿真的主要目标包括预测零件最终变形后的形状、残余应力分布以及工艺导致的微观结构（比如增强塑料的孔隙和纤维方向）。

总体而言，打印过程的建模需要考虑到材料的状态演化，能够建模应力产生以及会随着时间的变化而发生的应力松弛。翘曲的数值预测需要考虑工艺参数。这些参数是所采用 AM 技术的函数。参数将包括材料性能方面和打印策略方面（零件方向、加工路径、支架……)。当FEA仿真实施后，便可获得残余应力以及零件最终变形后的形状。

特别地，对于FFF工艺而言，关于沉积时间以及微观结构的信息都是通过加工路径（通常情况下通过GCode文件）所推导出来的，加工路径可通过软件加载并读出（如图）。熔丝方向与对应的像素网络相关，一致的微观结构被堆叠起来。

增材制造是一种多尺度挑战（FFF过程图例说明）

这些工艺导致的微观结构会对材料性能和结构性能产生显著影响，对失效的影响尤为明显。此外，孔隙的分布也是通过加工路径推导出来的。

选择性激光烧结过程（SLS）包括使用激光热源对粉末材料进行烧结。激光会通过扫描零件的横截面有选择地熔化粉末。当一层烧结完成以后，另一层粉末就被置于已烧结粉末层上，然后开始进行新的烧结步骤。

• 加热
• 层沉积
• 激光运动及局部温度升高
• 粉末烧结
• 热传导
• 其他层沉积，可多次重复
• 直到全部冷却
  
  

对于FFF工艺，网格划分是以像素为基础的。邻近粉末也会因为对实际零件的支撑被建立出来。总体上来说，这个过程可形成一个包含打印零件和邻近粉末的平行六面体结构。热-机械耦合仿真的目的在于模仿SLS过程打印腔室环境，并依赖于多尺度热机械材料模型。

Digimat AM 工作流程，预测给定应用的扭曲和残余应力情况

E-Xstream工程公司（MSC子公司）为塑料和复合材料的增材制造提供完整仿真链，包括材料工程、工艺仿真、零件的最终性能的解决方案。这种集成方法有助于加快行业对AM的接受度，同时也会促进创新结构设计的生成，帮助节约能源并减轻重量。