基于Abaqus的增材制造標(biāo)準(zhǔn)樣件退火夾具仿真分析設(shè)計(jì)

劉文萍，許強(qiáng)

（1.大連海洋大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116300；2.大眾一汽發(fā)動(dòng)機(jī)（大連）有限公司，遼寧 大連 116300）

0 引言

熔融沉積（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）加工方式所用的工程塑料或光敏樹(shù)脂都具有熱變形缺陷，為彌補(bǔ)FDM技術(shù)適用材料的缺陷，就需要對(duì)FDM制品進(jìn)行退火后處理，但退火會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)打印試樣產(chǎn)生形變。夾具是裝夾工件的一種裝置[1]，不管是傳統(tǒng)的減材制造還是增材制造都需要夾具裝夾。本文選擇使用較為廣泛的美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM D638 TYPR 4標(biāo)準(zhǔn)試樣，其標(biāo)準(zhǔn)尺寸如圖1所示，通過(guò)Abaqus仿真軟件模擬試樣在退火環(huán)境下的變化[2]，結(jié)合傳統(tǒng)的減材制造夾具設(shè)計(jì)要求，提供一種阻止FDM試樣退火變形的夾具設(shè)計(jì)思路。

圖1 ASTM D638 TYPE4標(biāo)準(zhǔn)試樣

1 不同熱傳遞方式的退火處理

1.1 熱傳導(dǎo)退火

熱傳導(dǎo)是指在固體中發(fā)生的無(wú)宏觀運(yùn)動(dòng)的傳熱現(xiàn)象，高溫物體與低溫物體相接觸所形成的溫度差而產(chǎn)生自然對(duì)流。熱量自發(fā)地從較熱的物體流向較冷的物體[3]。在試驗(yàn)中使用的熱傳導(dǎo)退火儀器一般為熱風(fēng)烘箱，先將夾具放入烘箱中加熱一定時(shí)間后達(dá)到材料所需的退火溫度，再將試樣放入夾具中進(jìn)行退火，這樣處在室溫的試樣接觸到高溫的夾具，熱量進(jìn)行傳遞，從而實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)退火。

由于熱傳導(dǎo)退火需要試樣接觸到夾具，并且?jiàn)A具需要保持在退火溫度。由于夾具與試樣接觸的同時(shí)可以抑制變形，所以Abaqus的分析可以選擇為單純的溫度場(chǎng)分析。將環(huán)境溫度設(shè)置為退火溫度，初始夾具與試樣的溫度為室溫，待放入夾具后，夾具與環(huán)境溫度進(jìn)行熱量傳遞，直至夾具升至退火溫度后將試樣放入夾具，開(kāi)始退火。

1.2 熱對(duì)流退火

對(duì)流傳熱又分自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流，其中強(qiáng)制對(duì)流是常用的方式。對(duì)流傳熱的關(guān)鍵是對(duì)流傳熱系數(shù)[4]。熱對(duì)流退火方式操作簡(jiǎn)便且經(jīng)濟(jì)效益高，是使用最廣泛的退火方式。通常使用熱對(duì)流烘箱進(jìn)行退火，首先將烘箱溫度提升至退火溫度，在將試樣使用夾具固定好后直接放入熱對(duì)流烘箱中，等待退火完成即可。

由于夾具不可避免地要接觸到試樣，且熱對(duì)流退火是依靠熱風(fēng)循環(huán)進(jìn)行熱量交換，這會(huì)影響熱風(fēng)對(duì)流的效果，便需要所設(shè)計(jì)的夾具盡可能少地與試樣接觸。這種夾具在滿足抑制形變的同時(shí)要考慮到是否可以提高熱對(duì)流退火效率。在Abaqus的溫度-位移場(chǎng)分析中模擬試樣單獨(dú)退火后的形變趨勢(shì)，通過(guò)反向思維設(shè)計(jì)抑制形變的夾具。

1.3 熱輻射退火

熱輻射是指物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象[5]。一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，短波成分也愈多[6-8]。但利用熱輻射傳熱進(jìn)行退火難度較大，經(jīng)濟(jì)性能較差，且影響因素過(guò)多，適用范圍不如前兩種熱傳遞方式廣泛，不屬于大眾使用的退火方式，所以本文不對(duì)熱輻射退火進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)。

2 退火處理仿真夾具設(shè)計(jì)

夾具主要作用是定位和夾緊，即保證工件處于正確位置，避免工件因外力因素導(dǎo)致位移，夾具裝夾能顯著提高加工效率、精度并降低加工成本[9]。與傳統(tǒng)的減材制造相比，增材制造過(guò)程及工藝流程簡(jiǎn)捷，不需要過(guò)多的約束，但所需的后處理階段卻需要特殊夾具。

2.1 熱傳導(dǎo)退火仿真及夾具設(shè)計(jì)

2.1.1 Abaqus熱傳導(dǎo)仿真

夾具材料選擇經(jīng)濟(jì)性與試驗(yàn)性相結(jié)合的金屬鋁，其熱傳導(dǎo)系數(shù)為34.8 W/(m·K)。模擬ASTM D638 TYPE 4試樣在金屬鋁的包裹中進(jìn)行退火，可認(rèn)為金屬鋁為均質(zhì)固體。理論三維建模如圖2所示，待退火ASTM D638 TYPE4試樣的外部包裹金屬鋁。

圖2 仿真三維建模

由此建立了兩種簡(jiǎn)化的二維平面熱傳導(dǎo)模型，分別以試樣的中間截面及試樣端面繪制仿真模型，如圖3所示。使用二維簡(jiǎn)化模型，忽略三維空間的變形，以此仿真金屬鋁作為退火夾具是否可行。

圖3 仿真模型

固體的熱傳導(dǎo)在三維的等方向均勻介質(zhì)里的傳播可用以下方程表達(dá)：

式中：u=u（t，x，y，z）為溫度，它是時(shí)間變量t與空間變量（x，y，z）的函數(shù)；?u/?t為空間中的某一點(diǎn)溫度對(duì)時(shí)間的變化率；uxx、uyy與uzz為溫度對(duì)空間三坐標(biāo)軸的二階導(dǎo)數(shù)；k為熱擴(kuò)散率，決定于材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)、材料密度與比熱容。由于不考慮試樣的變形，只針對(duì)熱試樣的退火條件進(jìn)行熱傳導(dǎo)仿真。根據(jù)方程可得，所需仿真參數(shù)有材料密度、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)，參數(shù)如表1所示。

表1 PLA及金屬鋁仿真參數(shù)

2.1.2 熱傳導(dǎo)退火夾具設(shè)計(jì)

在Abaqus仿真中，根據(jù)實(shí)際所選擇的PLA適宜的退火溫度90 ℃及退火時(shí)間4 h作為仿真參數(shù)，忽略試樣變形，分析步類型選擇為熱傳遞。分別定義兩種材料的參數(shù)，外部材料為鋁，內(nèi)部材料為PLA，在Abaqus的工作空間中進(jìn)行裝配。在初始步中的預(yù)定義場(chǎng)設(shè)置外部金屬鋁溫度為90 ℃，內(nèi)部PLA溫度為25 ℃，先將夾具在加熱腔中加熱至90 ℃，再將室溫下的PLA試樣放入夾具中退火。新建分析步，設(shè)置分析步時(shí)間為7200 s，設(shè)置邊界條件為鋁最外表面恒溫90 ℃，表示金屬鋁外表面持續(xù)接觸熱源進(jìn)行加熱，溫度保持在90 ℃。設(shè)置相互作用為鋁的內(nèi)表面與PLA的外表面綁定，即兩個(gè)表面在仿真過(guò)程中無(wú)相對(duì)變形。

溫度仿真結(jié)果如圖4所示，因ASTM D638 TYPE4標(biāo)準(zhǔn)的拉伸區(qū)域?yàn)橹虚g“細(xì)頸”部分。由圖4（b）的圖例數(shù)值可得，在2 h后PLA內(nèi)部的溫度為67.3 ℃，以鋁為夾具材料進(jìn)行90 ℃，2 h退火效果良好。

圖4 溫度分布

圖5為熱量傳遞結(jié)果，夾具的仿真模型為矩形。圖5（b）的熱量傳遞結(jié)果表明，中間“細(xì)頸”部分的左右兩側(cè)熱量傳遞較少，在進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)減小左右兩側(cè)夾具的厚度，以保證較好的熱量傳遞。

圖5 熱量傳遞

根據(jù)仿真結(jié)果可知，試樣細(xì)頸部分受熱效果較差，是因?yàn)榉抡婺Ｐ蛫A具的細(xì)頸部分過(guò)厚。夾具外表面距試樣的距離為9 mm。端面的熱量傳遞結(jié)果表明，當(dāng)前所用厚度的鋁傳熱效果明顯，夾具外表面距試樣的距離為2.5 mm。為保證夾具既能抑制變形，又能更好地進(jìn)行熱傳導(dǎo)退火，應(yīng)將夾具設(shè)計(jì)為與試樣形狀相同，且空間六面距試樣的厚度不大于2.5 mm。改進(jìn)的理論尺寸如圖6所示。

圖6 改進(jìn)模型尺寸

夾具設(shè)計(jì)如圖7所示。外輪廓尺寸如圖6所示，內(nèi)部腔體尺寸需留出試樣與夾具間隙配合的尺寸。在夾具底部固定有5個(gè)彈簧，在彈簧上固定1個(gè)隔板，試樣在退火時(shí)放在隔板上。為防止制造出的試樣尺寸有偏差，彈簧起到緩沖的作用，同時(shí)也能提供一定的夾緊力以抵抗變形。將試樣放在隔板上，試樣頂部有頂板，起到最后一層固定的作用。由于試驗(yàn)需求多個(gè)試樣為一組進(jìn)行退火試驗(yàn)，在單個(gè)夾具兩側(cè)設(shè)有卡槽，可以隨意組裝同時(shí)進(jìn)行退火。

圖7 熱傳導(dǎo)退火夾具三維結(jié)構(gòu)

2.2 熱對(duì)流退火仿真及夾具設(shè)計(jì)

2.2.1 Abaqus熱對(duì)流仿真

Abaqus模擬ASTM D638 TYPE4試樣在熱對(duì)流烘箱中進(jìn)行熱對(duì)流退火，試樣空間六面均有90 ℃熱風(fēng)循環(huán)。繪制試樣三維模型并導(dǎo)入Abaqus中作為仿真模型，如圖8所示。在退火過(guò)程中試樣空間六面均要受到熱對(duì)流效應(yīng)，且PLA材料受熱會(huì)產(chǎn)生形變。

圖8 Abaqus熱對(duì)流仿真建模

2.2.2 針對(duì)熱對(duì)流退火試件的夾具設(shè)計(jì)

在熱對(duì)流Abaqus仿真中，與熱傳導(dǎo)不同的是，試樣與熱空氣直接接觸，無(wú)中間熱源，所以選擇較低的退火溫度85 ℃及退火時(shí)間4 h作為仿真參數(shù)，由于存在退火形變，分析步類型選擇為熱力耦合。在初始步中的預(yù)定義場(chǎng)設(shè)PLA為室溫25 ℃。新建分析步，設(shè)置分析步時(shí)間為14 400 s，設(shè)置邊界條件為PLA空間六面熱對(duì)流，對(duì)流系數(shù)為86 W/（m2·K），環(huán)境溫度為85 ℃。由圖9可知，在退火4 h后試樣內(nèi)部溫度已經(jīng)達(dá)到了85 ℃，但試樣內(nèi)部卻用了2 h升溫至85 ℃。從試樣的熱量流動(dòng)圖可以看出，試樣兩端的熱量流動(dòng)比中間部分多。通過(guò)觀察應(yīng)力場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，在退火時(shí)，試樣中間層的應(yīng)力集中較大，結(jié)合變形趨勢(shì)可以得到試樣在空間六自由度上均有形變發(fā)生，其中形變程度由一側(cè)向另一側(cè)減小。

圖9 4 h溫度分布

圖10的熱量傳遞結(jié)果表明，試樣兩端熱量傳遞比細(xì)頸部分明顯，在溫度與接觸面積一定時(shí)，熱量傳遞的大小與相對(duì)流速有關(guān)，相對(duì)流速越大，熱量傳遞越明顯。在設(shè)計(jì)部分應(yīng)采取加大細(xì)頸處的熱空氣流速的設(shè)計(jì)方案。在經(jīng)過(guò)退火后，試樣在空間六自由度上均有形變，在夾具設(shè)計(jì)部分應(yīng)全面考慮多方面的形變。夾具設(shè)計(jì)三維圖如圖11所示。試樣兩端分別由兩個(gè)對(duì)稱的固定頭固定，在固定頭最外端插入兩個(gè)固定的方形支撐桿，作用是限制試樣的膨脹變形，固頭內(nèi)側(cè)插入兩個(gè)對(duì)稱的圓柱形支撐桿，作用是限制試樣的收縮變形。通過(guò)固定頭、方形支撐桿和圓柱形支撐桿將試樣的六自由度完全固定。在試樣的細(xì)頸處加裝一個(gè)圓筒，將細(xì)頸從圓筒中間穿過(guò)。圓筒分為上下兩個(gè)對(duì)稱部分，可以從中間拆卸，作用是增大細(xì)頸處的熱風(fēng)流速，從而達(dá)到增強(qiáng)退火效果的目的，同時(shí)又可以避免總體風(fēng)速過(guò)大帶來(lái)的負(fù)面影響。

圖10 熱量傳遞

圖11 熱對(duì)流夾具三維圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)Abaqus有限元仿真對(duì)ASTM D638 TYPE4 試樣的兩種退火方式的形變趨勢(shì)進(jìn)行模擬，并設(shè)計(jì)出針對(duì)這兩種退火方式阻止試樣形變的夾具。所設(shè)計(jì)的夾具既不影響退火要達(dá)到的效果，又可以在一定程度上抑制退火變形，提供了一種基于熔融沉積增材制造ASTM D638 TYPE4標(biāo)準(zhǔn)試樣退火夾具的設(shè)計(jì)思路。