三维打印零件的变形理论.docx

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1、三维打印零件的变形理论i1.三维打印零件的特点三维打印零件同普通零件相比，因成型工艺的不同而表现出其独有的特性，三维打 印零件具有以下特点：（1）微观非均匀性及呈层性三维打印零件是大量有序的固化单元的集合，固化单元在三维方向上的力学性能各 不相同，固化单元的形成有先后之分且相互重叠，这就造成固化零件在微观构造上是不 均匀的。三维打印零件除了层片内存在此种非均匀性外，由于扫描方式和成型材料的不 同，叠加方向又呈现另一种非均匀性，定义该种在厚度方向上所表现出的非均匀现象为 呈层性。（2）各向异性固化单元在扫描方向及进给方向上由于重叠程度、固化度不一致，且固化单元形成 后其体积收缩要经历一相当长的过

2、程，并伴有少量的热量散发，因此，固化物的化学和 物理性质，如机械性能（包括强度、硬度、模量、应变及层间的黏合力等）、收缩程度、 聚合速率、单体固化率、反应后的残余物组分的扩散性能等均呈现严重的非均匀性，表 现出较为明显的微观及宏观各向异性性质。（3）性能蠕变性对于高温加工的三维打印零件（如FDM工艺、SLS工艺等），在温度较高时的黏弹 性和室温时的黏弹性有较大的区别；对于加工前后温度变化不大的零件（如SL工艺、 3DP工艺），在加工后较长时间内会随着残余固化应力的不断释放而出现某些物理量的 改变（如模量、泊松比、密度等）。零件在整体应变或局部应变较大时，在剪切模量和 横向拉、压模量等的作用下也

3、会出现明显的蠕变。2.三维打印零件变形的宏观表现三维打印零件的变形是绝对的，而变形的大小则是可以控制的，为使零件的变形做 到最大程度的可控，应从本质上研究其变形机理。零件变形的宏观表现主要有悬臂式结构的翘曲变形、闭环式零件的变形、开环式零 件的变形及整体式结构变形等，如图所示。很多的零件变形研究都仅把液-固体积收缩作为零件变形的唯一因素，没有考虑材 料的其他特性（如固化层片的力学性能差异、树脂的反应特性等）及工艺参数对其变形的影响。而后两者往往是导致零件变形的主要因素，其表现形式是单固化层片的层内应 力-应变分布及层间应力-应变分布，因此有必要分析这两种应力-应变分布对零件变形的 影响。单层的

4、翘曲变形(b)具有悬臂特征的 多层翘曲变形(C)分层变形(d)尖角部位 撕裂变形(e)区域收缩 造成的裂纹三维打印零件的各种变形三维打印零件的分层破坏为减小零件变形，一般应减小固化层厚。层厚越小，层片内的应力越小，零件表面 光洁度越高，零件变形越小，其精度就越高。但在层厚太小时，一方面原型加工时间也 相应地延长；另一方面，为不致使零件强度降低，需增大相邻两层黏结重合度，这就使 得层片之间的Z向作用力即层间应力)逐渐成为不能忽视的因素。同时，三维打印零件 的层间黏结重合度也不能过小，当小至一定程度时，层间应力就会克服层间的黏结力， 就会导致零件的分层破坏。据以上分析，对三维打印零件分层破坏进行如

5、下定义：三维打印零件分层破坏是层间应力增大到极限状态时，克服了层间黏合力而导致层 片分离，它是翘曲变形的一种特殊表现形态。研究三维打印零件分层破坏问题应主要集中在分层机理、特征、各种损伤模型的建 立及其力学分析和实验研究方面。抑制三维打印零件分层破坏的措施导致三维打印零件分层破坏的主要因素是：因为在零件的边缘区域，层间应力过于 集中，而层间应力同层内应力有着密不可分的联系。为此，如要抑制零件的分层破坏， 需从2个方面着手：(1)降低层内应力的集中程度。在零件加工过程中，采取分区扫描方式，可有效降 低层内应力的集中程度，因该种扫描方式把整个层片划分为若干个独立加工的区域.各区 域之内的应力集中并不影响其他区域，故可大大减小整个层片的变形程度。(2)降低层间应力的集中程度。在零件加工过程中，采取重叠扫描固化方式，每一层片在收缩前是独立的，对上一层片的影响就可减小到最低程度。离散-叠加过程的3个层次中，因CAD实体包含的信息最全面、最广泛，所以体离 散产生的误差也就可能最大而面离散和线离散对应的两叠加过程的精度则与固化单元、 成型材料及机械运动精度等因素有关。