一种用于无定形聚合物增材制造的能够预测残余应力、翘曲和收缩的热力学框架
经典物理
2021-02-09 v1 软凝聚态物质
摘要
为用于熔融沉积建模(FDM)的一类无定形聚合物开发了热力学框架，以预测残余应力及打印件几何形状的伴随畸变（翘曲）。当聚合物熔体冷却时，温度的不均匀分布导致空间变化的体收缩，从而产生残余应力。通过在物体的运动学中引入各向同性体积膨胀/收缩，将收缩纳入框架。我们表明收缩参数也出现在系统推导的应力率型本构关系中。熔体在玻璃化转变温度附近的固化通过急剧增加熔体粘度来模拟。为说明所推导本构关系的实用性和有效性，我们考虑四条聚合物熔体带相互堆叠，如用平喷嘴挤出者：每层瞬时铺设，并在其上铺设另一层前冷却一秒。每层冷却、收缩和翘曲直至铺设新层，此时新铺层的热量流动并加热底层。现有层与新铺层的残余应力重新调整以满足平衡。层间这种力学与热相互作用导致复杂的残余应力分布。平面应变近似预测固化件核心区近乎等双轴拉伸应力状态，意味着该区已有裂纹可能扩展并在使用过程中导致零件失效。第一层与第二层之间界面的自由端承受平面内最大组合的剪切与拉伸，具有分层倾向。
引用
@article{arxiv.2102.03810,
title = {A Thermodynamic Framework for Additive Manufacturing, using Amorphous Polymers, Capable of Predicting Residual Stress, Warpage and Shrinkage},
author = {P. Sreejith and K. Kannan and K. R. Rajagopal},
journal= {arXiv preprint arXiv:2102.03810},
year = {2021}
}