工業(yè)級(jí)FDM機(jī)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(dǎo)讀：目前FDM（熔融沉積成型）機(jī)型市場常見的大多為桌面機(jī)。和FDM桌面機(jī)相比較，工業(yè)級(jí)FDM機(jī)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(jí)FDM機(jī)型為研究對(duì)象，該機(jī)型具備高精度、高效率、大尺寸等特點(diǎn)，并且擁有全鈑金機(jī)身+鋁合金框架，輕量化結(jié)構(gòu)，全封閉降噪，并搭配進(jìn)口軸承和全新高精度滾珠絲桿，保證設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。此外，該機(jī)型還擁有斷電續(xù)打、缺料檢測(cè)、智能容錯(cuò)檢測(cè)等功能，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備長時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定打印，適用于打印各種大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的手版模型及工業(yè)級(jí)別零件。

該機(jī)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(jì)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(jì)算模型基于德迪某款工業(yè)級(jí)FDM打印機(jī)內(nèi)部某框架模型進(jìn)行建模。打印機(jī)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(jì)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(jì)算模型處理是在Ansys workbench進(jìn)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?yàn)楸疚闹饕治鰞?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(jìn)行計(jì)算，計(jì)算流程如圖3-2所示：

圖3-2 分析計(jì)算流程

計(jì)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(jì)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(diǎn)溫度；
2. 本文將內(nèi)部某框架的切割面劃分為9個(gè)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(shí)間為實(shí)際激光掃描速度下掃描至當(dāng)前切割面的起始時(shí)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(shí)間根據(jù)激光切割速度，切割熔池長度等進(jìn)行計(jì)算；

圖3-3設(shè)定的9個(gè)切割面及順序

4. 激光切割順序按所設(shè)計(jì)的9個(gè)切割面的編號(hào)順序進(jìn)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(gè)工況進(jìn)行分析，詳細(xì)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(lán)色位置為約束位置）：

圖3-4 各工況約束位置示意圖

仿真計(jì)算結(jié)果及分析
由圖4-1可知：單支腳約束時(shí)最大變形量為1.48mm；最大變形方向在Y的負(fù)方向，該方向的變形主要是由重力所引起；單支腳約束時(shí)，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(shí)）

由圖4-2可知：雙支腳約束時(shí)最大變形量為0.12mm；最大變形方向在Y的負(fù)方向，該方向的變形主要是由重力所引起；雙支腳約束時(shí)，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(shí)）

由圖4-3可知：四支腳約束時(shí)最大變形量為0.0093mm；三個(gè)方向的最大變形量相當(dāng)；四支腳約束時(shí)，激光切割完成后（30s時(shí)）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(shí)）

1）工況3條件下，激光切割過程完成時(shí)時(shí)所造成的內(nèi)部某框架變形最小，最小變形量為0.0093mm；該時(shí)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(shí)（工況3）切割加工完成后零件內(nèi)部應(yīng)力增加，詳細(xì)對(duì)比結(jié)果如表5-1所示：

結(jié)論
總的來說，仿真計(jì)算在3D打印機(jī)各組件的加工方式設(shè)計(jì)過程中有指導(dǎo)作用，它能夠使得設(shè)計(jì)人員更直觀的得到相應(yīng)組件在實(shí)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(jī)各組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(xué)專業(yè)，博士學(xué)位，多年材料及增材制造領(lǐng)域研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，參與并實(shí)施多項(xiàng)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。