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背景介紹

增材制造(AM)技術(shù)俗稱3D打印,目前整個增材制造過程中材料特征分析等基礎(chǔ)研究十分缺乏。而增材制造過程中模型內(nèi)部的溫度特征對于打印耗材的選擇,打印工藝的調(diào)整、改進,以及打印模型主體結(jié)構(gòu)的設(shè)置、力學(xué)特征分析等起著至關(guān)重要的作用。

試驗過程

基于光頻域反射技術(shù)(OFDR)進行增材制造模型內(nèi)部溫度特性研究,如圖1(a)所示,本次試驗采用的設(shè)備包括OFDR儀器(型號:OSI-S)、分布式光纖、3D打印機、PLA打印耗材等。OFDR的采集頻率為10Hz,空間分辨率為3.62mm,傳感精度為±0.1℃。打印機對打印方式、模型的填充速度、模型的填充密度、模型的支撐方式等都具有靈活的調(diào)節(jié)方式。


圖1 實驗裝置及過程

本試驗?zāi)P椭睆綖?0 mm、厚度為10 mm的圓柱體,采用20%、40%、60%、80%和100% 這5種不同密度打印模型。將分布式光纖嵌入到模型內(nèi)部的過程中,當(dāng)模型打印到50%厚度時(圖1(b)所示)暫停打印,然后迅速植入分布式光纖,并在模型兩端的卡槽處使用膠水固定光纖。

布置好分布式光纖后進行打印封裝,直至模型剩余部分打印封裝完畢。在對模型進行打印封裝的過程中,使用OFDR儀器實時記錄分布式光纖的測量數(shù)據(jù),以便后續(xù)對打印模型的內(nèi)部溫度特征展開分析。

如圖1(c)所示,本試驗設(shè)計了一種直徑為1 mm的孔結(jié)構(gòu),可在模型的打印中,將光纖嵌入該孔結(jié)構(gòu)中,用直徑為1mm的護套管保護分布式光纖,分布式光纖可在護套管中自由移動,保證光纖在整個模型打印制作過程中不受到任何打印外力的干擾,消除了打印過程中應(yīng)變的影響,因此該嵌入的分布式光纖可以單獨監(jiān)測PLA模型在制作過程中任一時刻不同位置的溫度變化特征。

測試結(jié)果

本研究完成了5組PLA不同打印填充密度的模型,如圖2所示,分別為20%、40%、60%、80%和100%的密度下打印過程中不同位置的溫度變化曲線。


圖2  PLA在增材制造過程中不同密度的溫度變化量曲線
(a) 20%; (b) 40%; (c) 60%; (d) 80%; (e) 100%

從圖中可以看出,在增材制造的過程中,PLA材料各個位置的溫度變化量趨勢是一致的,都會出現(xiàn)5個典型階段,如圖3所示,其五個階段分別為:光纖嵌入階段、溫度檢測孔洞封裝階段、模型填充封裝階段、模型封頂階段、模型溫度回歸階段。


圖3 增材制造過程特征曲線

其中模型填充封裝階段(第Ⅲ階段)即為打印過程中模型內(nèi)溫度變化情況。在該階段,隨著打印模型的逐層封裝,內(nèi)部OFDR分布式光纖的監(jiān)測點處出現(xiàn)溫度的上升與下降,形成了該階段的溫度變化量反復(fù)循環(huán)的變化趨勢。其每一個循環(huán)代表一層耗材的堆疊。而且隨著每一層耗材的堆疊,每層的溫度變化量的峰值呈下降趨勢,因為隨著每一層耗材的堆疊,剛打印出來的耗材的高溫傳遞到位于模型中間的監(jiān)測光纖處時,由于傳遞過程中溫度的散失,光纖監(jiān)測到的溫度變化量的峰值降低。

試驗結(jié)論

通過OFDR技術(shù)將分布式光纖嵌入PLA材料模型內(nèi)部,成功地監(jiān)測了3D打印過程中不同位置的溫度分布特征。通過對試驗數(shù)據(jù)的研究分析,揭示了增材制造過程中PLA模型內(nèi)部的溫度變化情況,為打印耗材的選擇,打印工藝的調(diào)整以及打印模型主體結(jié)構(gòu)的設(shè)置分析等提供了數(shù)據(jù)支撐。


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來源:洪成雨課題組公眾號

題名:基于光頻域反射技術(shù)的增材制造聚乳酸酯溫度分布特征研究

作者:黃金生, 洪成雨, 楊強, 孫曉輝