导读
提升3D打印试件质量通常从材料组成或打印过程参数的角度来解决的，但实际受力分布情况对于试件性能也有至关重要的影响。基于此，课题组马文千等同学提出了一种力学指引下的3D打印参数优化方法，发表在智慧建造类顶刊Additive Manufacturing（影响因子11）上，题为Mechanics-guided manufacturing optimization framework to enhance the strength of architected lattice made from recycled plastic wastes。
详情请见：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.103997或点击文末阅读原文进行查看。
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图1-力学指引打印参数优化流程
再生线材制备与打印参数优化。首先收集实验室现有废弃PLA材料，根据所含杂质状态进行分类；分别进行破碎处理，使得颗粒直径均匀满足线材挤出机要求，破碎后的原料进行干燥处理保存；通过多次调整挤出温度和挤出速度以获得直径稳定的再生PLA耗材长丝。根据课题组前序研究基础，我们探究了打印温度、速度和层高对材料力学特性的影响和最优参数组合。为了提升试验效率，我们采用田口试验法(Taguchi)设计了三参数三因素实验组，通过多因素方差分析(ANOVA)和信噪比(S/N)分析，三因素对于压缩屈服强度、拉伸强度和弯曲强度的影响程度并不相同且最优参数组合也不同。再生PLA耗材在本研究所用Bambu X1C打印机上的拉伸强度最优打印参数为速度260mm/s，温度200摄氏度，层高0.16mm，压缩强度最优打印参数为速度240mm/s，温度205摄氏度，层高0.24mm，弯曲强度最优打印参数为速度260mm/s，温度205摄氏度，层高0.16mm。
图2-再生线材制备流程
建构化材料空间受力分析与打印参数优化。本研究中分布针对2个2D和2个3D建构化材料进行有限元模拟，确定在竖向受压荷载下的构件拉压应力空间分布情况，目前常规的桌面级3D打印中大部分场景下赋予全截面固定的参数，我们提出了根据实际受力情况，在受压区赋予受压最优参数，在受拉区赋予受拉最优参数，如图3所示。空间区域组合存在以下三种情况，打印温度和速度在三种情况下均可以自由组合，但限于目前切片算法局限性，商业切片软件无法实现不同层高的组合。
图3-空间打印参数
以图4所示2D Honeycomb为例，T为全截面受拉参数、C为全截面受压参数、O为最优参数组合，组合参数下构件的极限承载力和吸能效果分布提升9.10%和17.19%。本研究中通过力学指引下的参数优化方法，再生PLA打印的超材料极限承载力和吸能效果最大提升分别为25.52%和140.22%。
图4-2D Honeycomb晶格优化结果对比
总结
本文提出了一个基于力学指引的再生PLA超材料打印参数优化方法，以提升其极限承载力和吸能效果。虽然本研究中仅针对再生PLA进行探索，但此方法同样适用于其他材料、复杂结构和受力类型。后续可以深入优化切片算法以实现更精确的最优参数区域优化和节点优化，对于复杂结构，有限元模拟和实验工作量巨大，可以结合机器学习等技术进一步优化。
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来源于多样化结构实验室VSL
排版 | 李佳琪
审核 | 胡 楠
