比复合材料固化变形更复杂！浅析ABAQUS光固化3D打印仿真技术
导读：3D打印技术(增材制造技术)通过层层叠加的方式构建产品，对于工业制造的发展有着革命性意义。3D打印的过程包括三个步骤：（1）利用计算机设计软件或通过3D扫描构建三维模型；（2）利用切片软件将三维模型分割成薄片；（3）是通过3D打印机逐层打印模型。
图片来自北京中金研
与传统制造技术相比，3D打印可减少材料浪费、简化制造过程、缩短制造周期等。近年来，3D打印技术发展迅速，它不仅可以替代部分传统制造技术，也能赋予材料更先进的功能，在许多行业都有重要应用。
一、写在文前
数字化光处理技术(DLP)是一种面成型的光固化打印方式，也是一种广泛使用的3D打印技术。DLP的技术原理是在光源作用下使液态树脂发生聚合反应固化成型。扫描完一层后，平台上升或下降一个切片层厚度，树脂补充完成后进行下一层的固化，新固化层与上一层紧密结合在一起，如此层层叠加即可完成三维结构的构建。
“由于DLP打印机采用光束投影技术，其在小型精细模型打印方面展现出显著优势。尤其在打印小型精细模型时，DLP的曲面和细节丰富的部分都能得到清晰锐利的呈现，确保打印效果达到预期”。
树脂固化过程中会出现化学-热-变形多场之间的相互耦合，固化产生的化学收缩以及热应变会导致复合材料结构内部产生较大的内应力，并导致结构形状发生改变。光固化3D打印结构变形与复合材料固化变形本质上是类似的，都是由树脂的固化收缩和热应变导致内部产生残余应力，释放边界约束后结构发生回弹变形。与复合材料固化变形相比，光固化需要额外考虑光照对固化速率的影响，一定程度上增加了分析的复杂性。
本文将从固化动力学模型、材料本构以及建模方法三方面展开介绍。
二、固化动力学模型
光固化过程中，树脂的固化速率与温度和光照强度相关。本文采用同时考虑温度和光照强度影响的自催化固化模型：
（1.1）
式中k为反应速率常数，
固化过程会同时释放出大量热量，热量与固化速率的关系如下
（1.2）
用到的子程序：sdvini(设置初始固化度),usdfld(更新固化度和固化速率)，hetval(内部生热)
三、材料本构
我们在之前的文章中介绍了复合材料固化变形的几种本构，包括线弹性本构、路径依赖本构以及粘弹性本构。这里我们采用指数形式的本构来描述材料刚度与固化度之间的关系。
(1.3)
另外一个需要考虑的是树脂固化过程中额体积收缩，体积收缩与固化度的关系采用三线性模型
(1.4)
用到的子程序：umat(材料本构),uexpan(热应变和化学收缩应变)
四、建模方法
3D打印时，材料是层层叠加的，因此我们这里需要用到Abaqus中的Model Change功能，对材料进行分层激活（新版本中多了UEPACTIVATIONSETUP子程序，也可以实现与Model Change相同的功能）。
由于3D打印层数非常多，直接人工进行建模需要耗费大量时间，我们通过Python脚本对建模过程进行简化。脚本的建模思路为：按层批量分割实体，批量建立热力耦合分析步以及按分析步激活实体。
五、光固化3D打印模拟仿真公开课
光固化 3D 打印模拟仿真在提升打印质量与效率中至关重要，但其难点源于多物理场耦合复杂性、材料非线性及计算资源限制。未来需通过跨学科创新、算法优化与实验 - 仿真协同，推动仿真技术从 “辅助工具” 向 “工艺核心” 演进，助力光固化 3D 打印向高精度、大规模生产迈进。
6月19日20时，仿真秀优秀讲师——静默的无线电老师将在仿真秀直播间用户公开加餐直播《基于ABAQUS光固化3D打印模拟仿真技术探索与思考》，欢迎广大仿真学习者和Abaqus软件用户报名，支持反复回看。
1、嘉宾介绍
静默的无线电 仿真秀优秀讲师
他博士毕业于南京航空航天大学飞行器设计专业，博士学位论文被评为南京航空航天大学优秀学位论文。发表学术论文20余篇，其中以第一作者/通讯作者发表SCI论文10余篇（Composite Structures，International Journal of Fatigue等）；公开发明专利3项，授权发明专利2项。
主持博士后面上项目1项，获评”江苏省卓越博士后“，参与国家自然科学基金重点项目、国家重大专项等科研项目多项。担任多个杂志审稿人。研究方向为飞行器设计技术，研究领域包括：
金属和复合材料的疲劳与断裂
复合材料固化成型中的多场耦合问题
数值仿真方法在工程结构中的应用等
他仿真秀专栏代表作品：《ABAQUS复合材料疲劳渐进损伤分析方法11讲》（识别下方二维码试看）
2、讲座主要内容
（1）光固化3D打印介绍
（2）光固化数值模拟框架
树脂固化动力学模型
材料本构
化学收缩
子程序编写介绍
（3）基于Model Change的有限元建模
（4）技术交流和答疑
3、如何报名
欢迎识别下方二维码报名，观看直播及回放，也可以领取最全仿真秀设计仿真学习资料包。
精品课加餐-6：光固化3D打印模拟仿真技术探索与思考-仿真秀直播
六、学仿真技术，别错过仿真秀618
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来源：仿真秀App
