缅因大学（UMaine）的博士生Irja Hepler正在开发一个3D打印热应力仿真模型，旨在预测打印过程中产生的热应力。这些热应力通常由于材料冷却不均匀而引起变形，可能导致打印失败。Hepler的模型通过模拟冷却过程中产生的内力，帮助工程师在打印前识别潜在问题，避免试错过程，减少材料浪费，加速生产，提高一致性。她的2D模型已经大大缩短了仿真时间，从传统的3D模型的3小时缩短到仅15分钟。当前，她正在开发更符合实际几何形状的3D版本。这个仿真模型预计能支持缅因大学未来的大规模结构增材制造，并有望通过用户界面优化，提高其可访问性。
缅因大学（UMaine）结构工程博士生Irja Hepler正在开发一个模拟模型，用于预测3D打印过程中产生的热应力。她的研究解决了增材制造中的一个长期存在的问题：当打印材料冷却不均时，可能会发生翘曲或失去结构完整性。通过提前模拟这种行为，Hepler的这一方法可以帮助工程师预防打印失败——无论是在生产一个小物体还是建造一座全尺寸房屋。
热应力的产生是由于不同部分的打印物体冷却速率不同。这些锁定的应力在将物体从打印床上移开后可能会导致物体变形。Hepler目前在缅因大学的先进结构与复合材料中心工作，利用MATLAB构建她的模型，旨在在打印开始之前识别这些内部应力。“由于冷却不均，你会产生热应力，”她说，“这些应力会被锁定。当你完成零件并将它从床上取下时，它里面就有这些应力，这些初始应力会导致零件不按正常方式表现。”通过用预测分析替代重复的试错打印过程，她的工具有望减少材料浪费、加快生产速度，并提高打印的一致性。
她早期版本的模型采用了基于二维梁的框架，在其中打印的材料线条以方形配置堆叠。这与基于3D元素的现有实体模型不同，后者每模拟一个场景大约需要三个小时。相比之下，Hepler的二维模型只需要15分钟就能完成相同的任务。这种速度使得工程师能够在几天内评估多个打印配置，而不是几周。她目前正在开发一个三维版本，能够更好地反映实际几何形状。“三维很难，非常难，但它只是我之前模型的扩展，”她说。虽然她之前没有编写过三维建模的代码，但她将这一挑战视为对前期工作的延续。
她对仿真和3D打印的兴趣始于2014年，当时她在缅因大学进行了一次高中的实习，参与了由Russell S. Bodwell杰出教授Bill Davids领导的航空航天运输创新项目。当时还是缅因科学与数学学校的学生，Hepler接触到了MATLAB和增材制造技术。Davids教授现在是缅因大学土木与环境工程系的主任，成为了她的长期学术导师。她在缅因大学完成了本科和硕士学位，现在继续在该校进行博士研究。
缅因大学拥有世界上最大的3D打印机，并不断扩大其在结构规模增材制造领域的能力。Hepler的仿真模型可以通过帮助工程师预见和避免由于热应力引起的变形，支持未来在这一规模上的应用。一旦3D版本的模型完成，她希望它能够通过更有经验的程序员进一步优化，最终与用户界面结合，便于更广泛的使用。她预计将在2026年春季完成博士学位。她表示：“研究真的很重要，它可以帮助很多人。即使它进展缓慢，有时甚至不太稳定，但它还是会朝着目标前进。”
总结：
Hepler正在开发一个用于预测3D打印过程中热应力的仿真模型，以减少打印失败的可能性。该模型可以模拟冷却不均所产生的内力，帮助工程师在打印前进行优化，减少浪费并加快生产过程。该模型预计将大大提高增材制造的一致性和效率，特别是在大型结构打印中具有广泛应用潜力。
