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文献精读 Compos. B. Eng.：利用支持向量机对3D水泥基材料打印中的细丝变形进行建模和参数优化  背景介绍 截止目前，对3D水泥基材料打印（3DCMP）中的材料、打印工艺以及打印系统等方面已经进行了大量研究。而3DCMP也已经渡过了初步研究阶段，打印细丝的表面粗糙度质量逐渐成为研究热点。部分学者研究得出，打印细丝的表面粗糙度取决于水泥基材料的流动模式，与喷嘴几何形状、材料流变性能以及打印系统的工艺参数等因素相关。此外，还有研究表明，使用矩形喷嘴打印出的细丝表面粗糙度比使用圆形或椭圆形喷嘴更小，并且轻微改变矩形喷嘴的形状能够显著改善表面粗糙度。 研究出发点 现阶段，在材料流变性能（如动态屈服应力和塑性粘度）对打印细丝变形的影响方面仍然缺乏研究。该研究的主要目的是根据打印过程中所获得的试验数据来进一步优化工艺参数。而为了优化打印过程中材料的性能和工艺参数，对非牛顿水泥基材料的流动行为进行数值模拟分析至关重要。但大多数的研究均是针对打印聚合物材料的温度、应力分布以及横截面来进行数值模拟分析，而对水泥基材料打印工艺和打印细丝变形的动态行为的数值研究却较少，并且同时缺乏对材料流变性能和工艺参数与打印质量之间相关性的定量表征。 全文速览 新加坡-南洋理工大学Teck Neng Wong课题组建立了一个数值模型对材料在挤压和沉积过程中的流动机制进行了研究。首先提出了打印细丝变形的问题，以此来量化流动机制对细丝打印质量的影响。其次，采用支持向量机（SVM）研究了材料流动机制的各种影响因素以及打印细丝的变形。最后，建立了一个基于材料屈服应力和相对喷嘴移动速度的打印细丝变形的经验参数关联模型。研究结果表明，打印细丝的变形与塑性粘度无关，而与材料的屈服应力和相对喷嘴移动速度密切相关。相关论文以“Modelling and parameter optimization for filament deformation in 3D cementitious material printing using support vector machine”为题，于2020年发表在Composites Part B上。 图文解析 （1）水泥基材料的流变性能对打印细丝变形的影响  图1 CFD模拟细丝变形与材料流变性能的SVM分类 注：ΦF=Lb/Lt，式中：ΦF指打印质量参数（-）；Lb指打印细丝底部长度（mm）；Lt指打印细丝顶部长度（mm）。   图2 具有不同动态屈服应力τ0的材料的流动模式和速度分布（a）τ0=200 Pa，（b）τ0=516 Pa 如图1所示，大部分预测点处于所有训练数据的正确位置上且SVM模型的精度均高于0.9，而分类线几乎平行于水平轴（指塑性粘度）。这说明材料的屈服应力显著影响了打印细丝的变形，而塑性粘度对其产生的影响却几乎可以忽略不计。产生以上现象的具体原因如下：首先，水泥基材料的流变性能可以用宾汉模型来表述，故屈服应力相对于塑性粘度在控制剪切粘度方面占主导地位。其次，由于泵送管道内部横截面压力分布不均匀导致水泥基材料表面出现泌水现象，降低了材料表面塑性粘度，从而减弱了塑性粘度对剪切粘度的影响。最后，材料内部的大颗粒均倾向于远离剪切速率较大的靠近管道的表面区域，此时颗粒间的摩擦阻力和联锁效应增加了材料的屈服应力。因此，材料的屈服应力是打印细丝变形的主要影响因素。 如图2所示，材料的屈服应力越小，高速带（速度大于0.02 m/s，用矩形表示该区域）的区域面积和沉积区的速度越大，从而导致材料承受更大的压力。若沉积区的压力超过最佳值，就会使材料被挤压至低压力区（用圆形表示该区域）从而产生变形。 （2）工艺参数对打印细丝变形的影响  图3 CFD模拟细丝变形与材料流变性能和工艺参数的SVM分类  图4 在不同喷嘴移动速度下，材料的流动模式和速度分布Vn（a）Vn=60 mm/s，（b）Vn=55 mm/s，（c）Vn=50 mm/s 注：材料屈服应力为516 Pa。 如图3所示，以打印细丝质量分数ΦF=1.2为分类面，上方和下方分别表示了ΦF<1.2和ΦF<1.2的数据点。从图中还可以看出，当屈服应力较大时，该分类面在塑性粘度轴上的斜率几乎为零，故在高屈服应力条件下材料的塑性粘度对打印细丝变形的影响较小；而当材料的屈服应力大于450 Pa时，喷嘴移动速度逐渐减小以此来保证打印细丝的变形处于稳定状态，故喷嘴移动速度能够显著影响打印细丝的变形。由此可知，喷嘴移动速度与打印细丝的横截面面积呈反比关系。 如图4所示，当喷嘴移动速度为60 mm/s时，材料在沉积区（用圆形表示该区域）上方垂直流动；当喷嘴移动速度为55 mm/s和50 mm/s时，靠近喷嘴内表面区域的材料挤出后流入左下角区域（用圆形表示该区域），导致左下角的材料沉积较多，从而使打印细丝的变形增大。此外，沉积区上方（用矩形表示该区域）的材料流速较大，导致打印细丝底部的局部压力较大，从而增大了其底部区域面积。由此可知，打印细丝的变形随着喷嘴移动速度的减小而增大。 此外，当材料的屈服应力小于250 Pa时，喷嘴移动速度急剧增大以此来保证打印细丝的变形处于稳定状态，故屈服应力能够显著影响打印细丝的变形。由此可知，喷嘴移动速度应当随着材料屈服应力的减小而增加，以此来保持打印细丝变形的稳定性。在实际应用中，增大喷嘴移动速度能够满足高效率需求，而增大屈服应力则能够满足良好的可建造性需求，二者需协同配合。 （3）工艺参数和材料流变性能对打印细丝变形的联合效应  图5 打印细丝变形的轮廓  图6 打印细丝变形的3D示意图 如图5所示，当材料的屈服应力大于600 Pa时，等高线几乎平行于水平轴（指屈服应力），故在高屈服应力条件下，打印细丝的变形几乎不受材料屈服应力的影响；当材料的屈服应力小于600 Pa时，相对喷嘴移动速度（喷嘴移动速度/材料泵送速度）和材料屈服应力的联合效应对打印细丝变形的影响较大。总体而言，相对喷嘴移动速度对打印细丝变形的影响比材料屈服应力更加显著。 如图6所示，当材料的屈服应力和相对喷嘴移动速度分别约为200 Pa和0.85时，打印细丝的变形显著增加。此外，该研究还建立了一个基于高精度数据的经验参数关联模型来预测、掌握和调整3DCMP过程：  式中，ΦF指打印质量参数，即打印细丝的变形程度（-）；A指材料的屈服应力（Pa）；B指相对喷嘴移动速度（-） 总结 该研究的目的是对水泥基材料在挤压和沉积过程中的流动行为进行探究，并且建立一个SVM模型来研究材料的流变性能和工艺参数对打印细丝变形的单独影响和联合效应。采用基于机器学习的SVM模型对3DCMP中细丝的变形模式进行了分类，而训练数据均来自试验验证的数值模型。根据研究和分析结果，得出了以下结论： 1.建立了一个能够研究水泥基材料在挤压和沉积过程中的流动机制的数值模型，并且通过试验验证了该模型的准确性。 2.采用基于机器学习的SVM模型成功地对与各种材料流变性能和工艺参数相关的打印细丝的变形模式进行了分类。 3.SVM模型的2D和3D预测模式表明，材料的塑性粘度对打印细丝变形的影响较小，而相对喷嘴移动速度和材料的屈服应力则对其影响较大。 4.建立了一个经验模型来对打印细丝的变形、相对喷嘴移动速度以及材料的屈服应力进行表征。 本期编者简介 翻译： 耿松源 博士生 深圳大学 审核： 程博远 博士生 深圳大学 排版： 颜文韬 硕士生 深圳大学 本期学术指导 何 闯 博士后 深圳大学 龙武剑 教 授 深圳大学 文献链接： https:///10.1016/j.compositesb.2020.108018 |
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