金属填充PLA增材制造中按熔道预测翘曲、残余应力与高应力位置

Virtual and Physical Prototyping · 2026-10-29 · 期刊论文

• 一句话结论：提出按熔道（bead）分辨的热-粘弹性本征应变框架，可基于预计算热历史预测金属填充PLA打印件的成形几何、残余应力场与最高应力位置；验证结果提示预测与实测吻合较好，属方法学层面的证据支持。
• 研究设计与做法：方法学研究：构建求解器链，先以Cattenone等的ABS平面弹簧基准验证，再对IN718-PLA与Cu-PLA试样进行预测并与3D扫描对比（每种材料6个单独制作试样）；另设三例序贯隔离设计检验跨材料应力比关系，未涉及患者或临床干预。
• 主要结果：基准验证复现十一探针实验均值偏差−5.2%，归一化RMSE为20.7%（基准Abaqus模拟为23.5%），仅两个量按基准校准且未重新缩放；几何预测与扫描的典型横向偏差0.07–0.10 mm、纵向0.04–0.09 mm；跨材料应力比σ_Cu/σ_IN=(E_Cu/E_IN)·(α_Cu/α_IN)恢复误差在6%以内；模量变化2.2倍时预测几何改变小于0.002 mm；弹性应力需求图对联合本构扰动稳健（ρ≥0.98），两种材料最高应力前200个熔道中有195个重合。
• 机制或解释：作者以热-粘弹性本征应变与序贯隔离设计解释：位移与模量解耦，应力需求主要由沿扫描方向的收缩系数决定，故高应力熔道位置在材料间高度一致。
• 局限与边界：验证限于ABS基准及IN718-PLA、Cu-PLA两种材料，每种材料仅6个试样；部分量需按基准校准；未报告更广泛材料体系、复杂构件与长期工艺波动的适用性。
• 可否落地：提示可用于单次仿真进行原料筛选与高应力位置预判，减少试打印；证据档位为C，属方法可行性提示，尚不足以下结论，需更多材料与构件几何的独立验证。

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Martin Gamesu, Nelson K. Akafuah

本文摘自《每日前沿研究简报 · 2026-10-31》「工程与材料」。本内容仅用于研究信息整理与科普交流，不构成医疗建议。