工業(yè)級FDM機型內(nèi)部框架激光切割過程仿真分析

作者：謝琰軍
來源：安世亞太

導讀：目前FDM（熔融沉積成型）機型市場常見的大多為桌面機。和FDM桌面機相比較，工業(yè)級FDM機型無論在成型精度還是在成型尺寸等方面都提升了很多。

本期增材專欄文章以德迪研發(fā)的一款工業(yè)級FDM機型為研究對象，該機型具備高精度、高效率、大尺寸等特點，并且擁有全鈑金機身+鋁合金框架，輕量化結(jié)構(gòu)，全封閉降噪，并搭配進口軸承和全新高精度滾珠絲桿，保證設(shè)備運行穩(wěn)定性。此外，該機型還擁有斷電續(xù)打、缺料檢測、智能容錯檢測等功能，可實現(xiàn)設(shè)備長時間連續(xù)穩(wěn)定打印，適用于打印各種大尺寸、結(jié)構(gòu)復雜的手版模型及工業(yè)級別零件。

該機型內(nèi)部某框架結(jié)構(gòu)的加工方法為激光切割，本文通過分析該部件在激光切割的過程中產(chǎn)生的變形及最大應(yīng)力，為該框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝選擇提供相應(yīng)的參考。

內(nèi)部框架幾何模型及材料
本次計算模型基于德迪某款工業(yè)級FDM打印機內(nèi)部某框架模型進行建模。打印機內(nèi)部某框架模型如圖2-1所示。

圖2-1內(nèi)部某框架幾何模型

該框架所用材料為Q235，本文計算過程中采用的Q235材料參數(shù)的具體數(shù)值見表2-1。

仿真模型的建立

本次計算模型處理是在Ansys workbench進行網(wǎng)格劃分，單元類型采用四面體單元，具體網(wǎng)格劃分情況見圖3-1。

圖3-1 網(wǎng)格劃分情況

因為本文主要分析內(nèi)部框架激光加工過程所產(chǎn)生的熱變形和應(yīng)力，因此采用瞬態(tài)熱分析和瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析耦合的方式進行計算，計算流程如圖3-2所示：

圖3-2 分析計算流程

計算過程需要獲得激光切割速度、切割熔池寬度、激光類型、激光切割路徑、加工過程固定的位置等參數(shù)。

計算過程的相關(guān)設(shè)置及假設(shè)如下：
1. 熱載荷以溫度的方式施加到切割邊界面，邊界施加的溫度為Q235熔點溫度；
2. 本文將內(nèi)部某框架的切割面劃分為9個切割面組，假定溫度在各切割面組統(tǒng)一施加（圖3-3），各切面組溫度施加的起始時間為實際激光掃描速度下掃描至當前切割面的起始時間；
3. 高溫溫度載荷在各切割位置（內(nèi)部某框架各切割面）施加的時間根據(jù)激光切割速度，切割熔池長度等進行計算；

圖3-3設(shè)定的9個切割面及順序

4. 激光切割順序按所設(shè)計的9個切割面的編號順序進行（圖3-3）；
5. 為了分析加工過程固定位置的影響，本文根據(jù)不同的固定位置設(shè)定三個工況進行分析，詳細的工況設(shè)定條件見表3-1，相應(yīng)工況約束位置示意圖如圖3-4所示（圖中零件上藍色位置為約束位置）：

圖3-4 各工況約束位置示意圖

仿真計算結(jié)果及分析
由圖4-1可知：單支腳約束時最大變形量為1.48mm；最大變形方向在Y的負方向，該方向的變形主要是由重力所引起；單支腳約束時，激光切割完成后最大的應(yīng)力為28.36MPa；

圖4-1 工況1變形及應(yīng)力分析結(jié)果（30s時）

由圖4-2可知：雙支腳約束時最大變形量為0.12mm；最大變形方向在Y的負方向，該方向的變形主要是由重力所引起；雙支腳約束時，激光切割完成后最大的應(yīng)力為21.40MPa。

圖4-2 工況2變形及應(yīng)力分析結(jié)果（30s時）

由圖4-3可知：四支腳約束時最大變形量為0.0093mm；三個方向的最大變形量相當；四支腳約束時，激光切割完成后（30s時）最大的應(yīng)力為40.25MPa。

圖4-3 工況3變形及應(yīng)力分析結(jié)果（30s時）

1）工況3條件下，激光切割過程完成時時所造成的內(nèi)部某框架變形最小，最小變形量為0.0093mm；該時間框架內(nèi)最大應(yīng)力為40.25MPa；

2）激光切割過程中增加約束可減小變形，但約束較多時（工況3）切割加工完成后零件內(nèi)部應(yīng)力增加，詳細對比結(jié)果如表5-1所示：

結(jié)論
總的來說，仿真計算在3D打印機各組件的加工方式設(shè)計過程中有指導作用，它能夠使得設(shè)計人員更直觀的得到相應(yīng)組件在實際加工工況下的應(yīng)力及變形情況，分析相應(yīng)組件加工方式的合理性，為打印機各組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工方法的選擇及加工余量的選取提供方向，縮短相應(yīng)的設(shè)備開發(fā)流程。

—作者—
謝琰軍
材料物理與化學專業(yè)，博士學位，多年材料及增材制造領(lǐng)域研發(fā)經(jīng)驗，參與并實施多項金屬增材制造科研課題及相關(guān)技術(shù)開發(fā)工作；目前主要從事增材制造設(shè)備及工藝相關(guān)的仿真及咨詢工作。