材料挤出增材制造(MEX)的热建模与粘结分析
1. MEX热建模概述
材料挤出增材制造(MEX)是一种复杂的制造工艺,从将固体丝材挤入液化器到零件冷却的整个过程涉及多种物理和热现象,如传热、分子扩散、相变、形态发展以及非等温粘弹性剪切和拉伸流动等。对这一过程进行热建模具有重要意义,它可以用于支持零件设计、设置相应的打印参数以及实现工艺优化。
1.1 热建模的复杂性
建模整个MEX处理序列极为复杂。例如,Xia等人提出的全3D计算流体动力学(CFD)解析模拟,虽然能高精度地模拟传热、剪切变稀行为、凝固和残余应力等,但计算需求大,且需要对材料进行全面、复杂且耗时的表征。
1.2 温度演变的重要性
在实际应用中,了解沉积阶段丝材的温度演变对于理解和预测零件在使用中的质量至关重要。由于聚合物的热导率较低,加热和冷却过程会产生高温度梯度,从而导致残余应力,可能使打印零件产生翘曲和变形。温度梯度还会影响零件的机械性能,如屈服强度和延展性。
1.3 早期热建模的努力
早在20世纪最后十年,就有人开始尝试预测丝材沉积/冷却过程中的温度历史。Yardimci和Güceri最早强调了MEX中传热分析的重要性,他们提出了将1D丝材建模为网格块的1D公式,考虑了与环境和相邻丝材的相互作用,并添加了对流边界条件,以此估计相邻丝材的粘结潜力。随后,Thomas和Rodriguez以及Rodriguez等人开发了2D传热分析模型,假设挤出丝材为矩形横截面,忽略接触电阻,采用自由对流边界条件,并基于爬行理论的润湿 - 扩散模型预测粘结,结果表明较低的冷却速率有助于增强粘结。