非平面FFF打印框架實(shí)現(xiàn)了6.35倍的零件強(qiáng)度提升

2020年9月4日，南極熊從外媒獲悉，一個(gè)由六位國(guó)際科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的計(jì)算框架，用于聚合物部件的多軸、非平面3D打印。

基于FFF的技術(shù)是通過(guò)將絲材沿著它們承受最大應(yīng)力的方向排列，緩解 "薄弱點(diǎn)"，提高零件的整體強(qiáng)度。到目前為止，這項(xiàng)工作已經(jīng)取得了一些非常有前途的結(jié)果，與傳統(tǒng)的平面FFF打印相比，零件強(qiáng)度提高了6.35倍。

框架生成的曲線層的可視化，圖片來(lái)自韋恩州立大學(xué)

3D打印部件的各向異性

盡管3D打印技術(shù)很先進(jìn)，但仍然存在著各向異性問(wèn)題。3D打印部件的機(jī)械性能往往會(huì)根據(jù)施加力的方向或軸而變化。由于眾所周知的Z軸上的層間結(jié)合力較弱，這種效應(yīng)在FFF打印部件中尤為明顯。因此，對(duì)于需要高抗壓性的工業(yè)或生產(chǎn)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種工藝通常被認(rèn)為是不夠的。

就目前而言，有許多方法可以用來(lái)改善聚合物部件的機(jī)械性能。這包括熱處理和化學(xué)處理，填充百分比和結(jié)構(gòu)的變化，甚至重新設(shè)計(jì)零件的幾何形狀。研究團(tuán)隊(duì)采用了一種全新的方法，利用各向異性現(xiàn)象本身來(lái)控制和提高通過(guò)FFF制造的零件的強(qiáng)度。

多軸3D打印框架

本研究所提到的框架的核心工作原理是將3D模型分解成一系列 "強(qiáng)度感知 "和無(wú)碰撞的弧形工作面，就像一個(gè)非常復(fù)雜的卷曲蛋糕的抽象切片。這些彎曲的工作面可以替代平面3D打印中的傳統(tǒng)層，但允許打印頭的工具路徑有更多的動(dòng)態(tài)變化。

首先，計(jì)算出一個(gè)優(yōu)化的治理場(chǎng)，從中提取出各個(gè)工作面。根據(jù)研究人員的說(shuō)法，計(jì)算過(guò)程 "自然地繼承了有限元分析"，工程師們使用有限元分析來(lái)模擬零件在負(fù)載下的應(yīng)力分布。結(jié)果網(wǎng)格由一組四面體組成。

該框架將模型分解為曲線層，然后可以在5軸FDM機(jī)器上進(jìn)行3D打印，圖片來(lái)自韋恩州立大學(xué)

基于治理場(chǎng)（考慮到零件中的應(yīng)力分布），推算出懸臂和橋梁的支撐結(jié)構(gòu)，并生成各個(gè)曲線層。最后，對(duì)刀具路徑進(jìn)行了優(yōu)化，使其與每個(gè)曲面中最薄弱的軸線對(duì)齊，盡可能地提高零件在每個(gè)方向上的強(qiáng)度。

到了測(cè)試框架的時(shí)候，一組原型被FFF打印出來(lái)，并在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行拉伸和壓縮測(cè)試，以檢驗(yàn)它們的強(qiáng)度。研究人員將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果描述為 "令人鼓舞"，與傳統(tǒng)的平面3D打印相比，典型的強(qiáng)度增加了1.42倍-6.35倍。

更多的研究細(xì)節(jié)可以在題為 "Reinforced FDM: Multi-Axis Filament Alignment with Controlled Anisotropic Strength"的論文中找到。該論文由Guoxin Fang, Tianyu Zhang, Sikai Zhong等人共同撰寫。

將模型分解并以弧形層重建以增加零件強(qiáng)度的過(guò)程，圖片來(lái)自韋恩州立大學(xué)