基于Abaqus的增材制造標準樣件退火夾具仿真分析設計

劉文萍，許強

（1.大連海洋大學 應用技術學院，遼寧 大連 116300；2.大眾一汽發動機（大連）有限公司，遼寧 大連 116300）

0 引言

熔融沉積（Fused Deposition Modeling，FDM）加工方式所用的工程塑料或光敏樹脂都具有熱變形缺陷，為彌補FDM技術適用材料的缺陷，就需要對FDM制品進行退火后處理，但退火會導致標準打印試樣產生形變。夾具是裝夾工件的一種裝置[1]，不管是傳統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材料試驗協會ASTM D638 TYPR 4標準試樣，其標準尺寸如圖1所示，通過Abaqus仿真軟件模擬試樣在退火環境下的變化[2]，結合傳統的減材制造夾具設計要求，提供一種阻止FDM試樣退火變形的夾具設計思路。

圖1 ASTM D638 TYPE4標準試樣

1 不同熱傳遞方式的退火處理

1.1 熱傳導退火

熱傳導是指在固體中發生的無宏觀運動的傳熱現象，高溫物體與低溫物體相接觸所形成的溫度差而產生自然對流。熱量自發地從較熱的物體流向較冷的物體[3]。在試驗中使用的熱傳導退火儀器一般為熱風烘箱，先將夾具放入烘箱中加熱一定時間后達到材料所需的退火溫度，再將試樣放入夾具中進行退火，這樣處在室溫的試樣接觸到高溫的夾具，熱量進行傳遞，從而實現熱傳導退火。

由于熱傳導退火需要試樣接觸到夾具，并且夾具需要保持在退火溫度。由于夾具與試樣接觸的同時可以抑制變形，所以Abaqus的分析可以選擇為單純的溫度場分析。將環境溫度設置為退火溫度，初始夾具與試樣的溫度為室溫，待放入夾具后，夾具與環境溫度進行熱量傳遞，直至夾具升至退火溫度后將試樣放入夾具，開始退火。

1.2 熱對流退火

對流傳熱又分自然對流和強制對流，其中強制對流是常用的方式。對流傳熱的關鍵是對流傳熱系數[4]。熱對流退火方式操作簡便且經濟效益高，是使用最廣泛的退火方式。通常使用熱對流烘箱進行退火，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，且熱對流退火是依靠熱風循環進行熱量交換，這會影響熱風對流的效果，便需要所設計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要考慮到是否可以提高熱對流退火效率。在Abaqus的溫度-位移場分析中模擬試樣單獨退火后的形變趨勢，通過反向思維設計抑制形變的夾具。

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象[5]。一切溫度高于絕對零度的物體都能產生熱輻射，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行退火難度較大，經濟性能較差，且影響因素過多，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，所以本文不對熱輻射退火進行夾具設計。

2 退火處理仿真夾具設計

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]。與傳統的減材制造相比，增材制造過程及工藝流程簡捷，不需要過多的約束，但所需的后處理階段卻需要特殊夾具。

2.1 熱傳導退火仿真及夾具設計

2.1.1 Abaqus熱傳導仿真

夾具材料選擇經濟性與試驗性相結合的金屬鋁，其熱傳導系數為34.8 W/(m·K)。模擬ASTM D638 TYPE 4試樣在金屬鋁的包裹中進行退火，可認為金屬鋁為均質固體。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

由此建立了兩種簡化的二維平面熱傳導模型，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

固體的熱傳導在三維的等方向均勻介質里的傳播可用以下方程表達：

式中：u=u（t，x，y，z）為溫度，它是時間變量t與空間變量（x，y，z）的函數；?u/?t為空間中的某一點溫度對時間的變化率；uxx、uyy與uzz為溫度對空間三坐標軸的二階導數；k為熱擴散率，決定于材料的熱傳導系數、材料密度與比熱容。由于不考慮試樣的變形，只針對熱試樣的退火條件進行熱傳導仿真。根據方程可得，所需仿真參數有材料密度、比熱容、熱傳導系數，參數如表1所示。

表1 PLA及金屬鋁仿真參數

2.1.2 熱傳導退火夾具設計

在Abaqus仿真中，根據實際所選擇的PLA適宜的退火溫度90 ℃及退火時間4 h作為仿真參數，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，外部材料為鋁，內部材料為PLA，在Abaqus的工作空間中進行裝配。在初始步中的預定義場設置外部金屬鋁溫度為90 ℃，內部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，設置分析步時間為7200 s，設置邊界條件為鋁最外表面恒溫90 ℃，表示金屬鋁外表面持續接觸熱源進行加熱，溫度保持在90 ℃。設置相互作用為鋁的內表面與PLA的外表面綁定，即兩個表面在仿真過程中無相對變形。

溫度仿真結果如圖4所示，因ASTM D638 TYPE4標準的拉伸區域為中間“細頸”部分。由圖4（b）的圖例數值可得，在2 h后PLA內部的溫度為67.3 ℃，以鋁為夾具材料進行90 ℃，2 h退火效果良好。

圖4 溫度分布

圖5為熱量傳遞結果，夾具的仿真模型為矩形。圖5（b）的熱量傳遞結果表明，中間“細頸”部分的左右兩側熱量傳遞較少，在進行夾具設計時應減小左右兩側夾具的厚度，以保證較好的熱量傳遞。

圖5 熱量傳遞

根據仿真結果可知，試樣細頸部分受熱效果較差，是因為仿真模型夾具的細頸部分過厚。夾具外表面距試樣的距離為9 mm。端面的熱量傳遞結果表明，當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，又能更好地進行熱傳導退火，應將夾具設計為與試樣形狀相同，且空間六面距試樣的厚度不大于2.5 mm。改進的理論尺寸如圖6所示。

圖6 改進模型尺寸

夾具設計如圖7所示。外輪廓尺寸如圖6所示，內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個彈簧，在彈簧上固定1個隔板，試樣在退火時放在隔板上。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。由于試驗需求多個試樣為一組進行退火試驗，在單個夾具兩側設有卡槽，可以隨意組裝同時進行退火。

圖7 熱傳導退火夾具三維結構

2.2 熱對流退火仿真及夾具設計

2.2.1 Abaqus熱對流仿真

Abaqus模擬ASTM D638 TYPE4試樣在熱對流烘箱中進行熱對流退火，試樣空間六面均有90 ℃熱風循環。繪制試樣三維模型并導入Abaqus中作為仿真模型，如圖8所示。在退火過程中試樣空間六面均要受到熱對流效應，且PLA材料受熱會產生形變。

圖8 Abaqus熱對流仿真建模

2.2.2 針對熱對流退火試件的夾具設計

在熱對流Abaqus仿真中，與熱傳導不同的是，試樣與熱空氣直接接觸，無中間熱源，所以選擇較低的退火溫度85 ℃及退火時間4 h作為仿真參數，由于存在退火形變，分析步類型選擇為熱力耦合。在初始步中的預定義場設PLA為室溫25 ℃。新建分析步，設置分析步時間為14 400 s，設置邊界條件為PLA空間六面熱對流，對流系數為86 W/（m2·K），環境溫度為85 ℃。由圖9可知，在退火4 h后試樣內部溫度已經達到了85 ℃，但試樣內部卻用了2 h升溫至85 ℃。從試樣的熱量流動圖可以看出，試樣兩端的熱量流動比中間部分多。通過觀察應力場發現，在退火時，試樣中間層的應力集中較大，結合變形趨勢可以得到試樣在空間六自由度上均有形變發生，其中形變程度由一側向另一側減小。

圖9 4 h溫度分布

圖10的熱量傳遞結果表明，試樣兩端熱量傳遞比細頸部分明顯，在溫度與接觸面積一定時，熱量傳遞的大小與相對流速有關，相對流速越大，熱量傳遞越明顯。在設計部分應采取加大細頸處的熱空氣流速的設計方案。在經過退火后，試樣在空間六自由度上均有形變，在夾具設計部分應全面考慮多方面的形變。夾具設計三維圖如圖11所示。試樣兩端分別由兩個對稱的固定頭固定，在固定頭最外端插入兩個固定的方形支撐桿，作用是限制試樣的膨脹變形，固頭內側插入兩個對稱的圓柱形支撐桿，作用是限制試樣的收縮變形。通過固定頭、方形支撐桿和圓柱形支撐桿將試樣的六自由度完全固定。在試樣的細頸處加裝一個圓筒，將細頸從圓筒中間穿過。圓筒分為上下兩個對稱部分，可以從中間拆卸，作用是增大細頸處的熱風流速，從而達到增強退火效果的目的，同時又可以避免總體風速過大帶來的負面影響。

圖10 熱量傳遞

圖11 熱對流夾具三維圖

3 結語

通過Abaqus有限元仿真對ASTM D638 TYPE4 試樣的兩種退火方式的形變趨勢進行模擬，并設計出針對這兩種退火方式阻止試樣形變的夾具。所設計的夾具既不影響退火要達到的效果，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標準試樣退火夾具的設計思路。