3D打印過程溫度分布特征

  背景介紹

  增材制造(AM)技術俗稱3D打印，目前整個增材制造過程中材料特征分析等基礎研究十分缺乏。而增材制造過程中模型內部的溫度特征對于打印耗材的選擇，打印工藝的調整、改進，以及打印模型主體結構的設置、力學特征分析等起著至關重要的作用。

  試驗過程

  基于光頻域反射技術(OFDR)進行增材制造模型內部溫度特性研究，如圖1(a)所示，本次試驗采用的設備包括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節方式。

  本試驗模型直徑為30 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部的過程中，當模型打印到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據，以便后續對打印模型的內部溫度特征展開分析。

  如圖1(c)所示，本試驗設計了一種直徑為1 mm的孔結構，可在模型的打印中，將光纖嵌入該孔結構中，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變的影響，因此該嵌入的分布式光纖可以單獨監測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。

  (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溫度變化情況。在該階段，隨著打印模型的逐層封裝，內部OFDR分布式光纖的監測點處出現溫度的上升與下降，形成了該階段的溫度變化量反復循環的變化趨勢。

  每一個循環代表一層耗材的堆疊，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測光纖處時，由于傳遞過程中溫度的散失，光纖監測到的溫度變化量的峰值降低。

  試驗結論

  通過OFDR技術將分布式光纖嵌入PLA材料模型內部，成功地監測了3D打印過程中不同位置的溫度分布特征。

  通過對試驗數據的研究分析，揭示了增材制造過程中PLA模型內部的溫度變化情況，為打印耗材的選擇、打印工藝的調整以及打印模型主體結構的設置分析等提供了數據支撐。