FDM快速成型工藝對成型件力學(xué)性能的影響

劉 亞，何 冰，陳鵬飛，趙海超，薄夫祥

(1.江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州 221004；2.徐工集團(tuán)高端工程機(jī)械智能制造國家重點實驗室，江蘇 徐州 221004)

FDM快速成型工藝對成型件力學(xué)性能的影響

劉 亞1，2，何 冰1，2，陳鵬飛1，2，趙海超1，2，薄夫祥1，2

(1.江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州 221004；2.徐工集團(tuán)高端工程機(jī)械智能制造國家重點實驗室，江蘇 徐州 221004)

基于熔融沉積成型(FDM)技術(shù)，研究了不同材料、成型件放置角度和噴嘴型號對成型件力學(xué)性能的影響，得到具有最佳力學(xué)性能的打印工藝。分別以美國Stratasys 公司生產(chǎn)的ABS-M30、PPSF和Ultem 9085打印材料為研究對象，采用常規(guī)填充方式，以xy平面為基準(zhǔn)面，0 °～90 °范圍內(nèi)分別設(shè)置不同放置角度打印并測試其力學(xué)性能。結(jié)果表明，45 °角放置樣件的拉伸和沖擊強(qiáng)度最佳；隨著放置角度的增加，樣件彎曲強(qiáng)度也隨之增大；采用相同放置方式成型測試樣件，T16噴嘴打印成型件較T12噴嘴打印成型件的力學(xué)性能更佳。

快速成型；放置角度；填充方式；力學(xué)性能

0 前言

三維(3D)打印技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)，是一種基于離散 - 堆積原理，通過計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)數(shù)據(jù)模型直接制作零件或模型的技術(shù)，與機(jī)器人技術(shù)、人工智能技術(shù)一起被稱為能帶來“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)[1]。相比于傳統(tǒng)制造技術(shù)去除 - 切削的加工制造方式，3D打印是一個從無到有的制造過程，打印過程中材料按照既定的形狀逐層疊加增長形成最后的制件。

3D打印技術(shù)相比于傳統(tǒng)機(jī)加工制造方式，具有明顯的優(yōu)點。它由于不需要進(jìn)行復(fù)雜的開模過程，能夠直接通過CAD數(shù)據(jù)模型成型得到最終產(chǎn)品，能夠明顯縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期和避免高昂的模具費(fèi)用，不受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜性影響等優(yōu)勢而受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注[2]。3D打印不僅克服了傳統(tǒng)制造原材料損耗的問題，而且使得產(chǎn)品成型過程更加智能高效[3]。

FDM技術(shù)是3D打印成型技術(shù)的一種，它是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時3D噴頭在計算機(jī)的控制下，根據(jù)截面輪廓信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面，依此循環(huán)，最后層層堆積成型[4-6]。

由于3D打印技術(shù)具有區(qū)別于傳統(tǒng)制造技術(shù)的特點，在成型過程中不同的成型方式對最終產(chǎn)品力學(xué)性能影響很大，例如不同的放置位置會導(dǎo)致纖維取向方向不同[7]，不同的填充方式會影響成型件孔隙率的大小[8]等，這些都會直接導(dǎo)致成型零部件的使用性能發(fā)生改變[9-11]。目前，國內(nèi)外關(guān)于3D打印成型工藝對產(chǎn)品力學(xué)性能影響的系統(tǒng)性研究報道還十分少見[12-15]。本文選用目前應(yīng)用最為廣泛的一種3D打印技術(shù)——FDM技術(shù)為研究對象，根據(jù)其逐層填充的成型特點，選擇3種具有代表性的工程塑料(ABS-M30、PPSF和Ultem 9085)為研究載體，以打印平臺xy平面為基準(zhǔn)面，研究不同成型放置角度和不同的噴嘴型號對成型件力學(xué)性能的影響，對其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度進(jìn)行測試。每組測試分別進(jìn)行5次，取其結(jié)果平均值進(jìn)行分析，獲取不同成型工藝下不同成型件的力學(xué)性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料

ABS-M30、PPSF、Ultem 9085，美國Stratasys公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

FDM快速成型機(jī)，F(xiàn)ortus 900mc，美國Stratasys 3D打印機(jī)開發(fā)公司；

傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)，Nexus智能型，美國Thermo Nicolet 公司；

萬能試驗機(jī)，WDW-A，濟(jì)南瑞馬機(jī)械設(shè)備有限公司；

擺錘沖擊試驗機(jī)，XJL-300D，承德市世鵬檢測設(shè)備有限公司。

1.3 樣品制備

測試樣件采用Stratasys公司生產(chǎn)的Fortus 900mc快速成型設(shè)備直接制備得到，打印完成后用砂紙將樣條表面打磨至光滑無缺口，尺寸完全符合力學(xué)性能測試國家標(biāo)準(zhǔn)要求，測試條件及內(nèi)容如表1所示；

測試過程中放置角度設(shè)計為以打印平臺為基準(zhǔn)，從0 °逐漸增加至90 °，以拉伸樣條為例說明，具體放置示意圖如圖1所示；

放置角度/(°)：(a)0 (b)45 (c)90圖1 打印放置方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of setting angles when prototyping

如圖1所示，0 °為測試樣條最大橫截面平行于打印平臺底面，此時兩者夾角(α)為0 °，隨著夾角α逐漸增大，認(rèn)為測試過程打印放置角度逐漸增加，直至最大橫截面垂直于打印平臺，此時夾角角度α為90 °；

測試過程中分別采用T12和T16 2種型號噴嘴對絲材進(jìn)行打印，其中，T12和T16噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2可以看出，T12噴嘴與T16噴嘴主要差別在于噴嘴半徑(R)不同，T12噴嘴半徑較小，T16噴嘴直徑較大；因此，分別采用T12和T16噴嘴成型件的層厚不同。測試表明，T12噴嘴成型件每層厚度為0.178 mm，而T16噴嘴成型樣件的層厚為0.254 mm；不同的分層厚度會對成型件的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

圖2 T12噴嘴和T16噴嘴示意圖Fig.2 Structure diagram of T12 node and T16 node

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

按GB/T 1040—2006測試材料的拉伸性能，測試速率為5 mm/min；

按GB/T 1043.1—2008測試材料的懸臂梁無缺口沖擊性能，擺錘能量為15 J，試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm；

按GB/T 9341—2008測試材料的彎曲性能，測試速率為2 mm/min，試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR分析

測試所用原材料均來自Stratasys公司成品，而由于目前3D打印相關(guān)原材料標(biāo)準(zhǔn)體系不夠完善，難以直接通過產(chǎn)品牌號判斷具體成分。所以為了進(jìn)一步確定測試材料成分，采用FTIR分別對于ABS-M30、PPSF和Ultem 9085絲材進(jìn)行分析。

如圖3(b)所示,其中702、758 cm-1兩處的吸收峰是苯環(huán)上的氫的面外彎曲振動吸收，1604 cm-1的吸收峰對應(yīng)苯環(huán)的骨架振動，1735、1810、1874、1952 cm-1處均存在較小的吸收峰，說明存在單取代苯，是苯乙烯的特征吸收峰，2237 cm-1處的吸收峰對應(yīng)ABS中丙烯腈上—CN的紅外吸收，2923 cm-1處的吸收峰對應(yīng)丁二烯的振動吸收。此外，在907、963、1451、1499 cm-1處均存在較明顯的紅外吸收峰，這表明ABS-M30除了存在ABS之外，還存在其他物質(zhì)。對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)FTIR光譜，查詢得到該物質(zhì)為低黏度改性環(huán)氧樹脂，目的是為了減小打印冷卻過程中絲材的收縮率、提高加工性能。

如圖3(b)所示， Ultem 9085的FTIR譜圖在3066 cm-1和1599 cm-1處的吸收峰為N—H伸縮和彎曲振動吸收峰，2968 cm-1處的吸收峰為C—H伸縮振動峰，1409 cm-1為C—N鍵伸縮振動吸收峰，1599、1478、1358 cm-1處為苯環(huán)振動吸收峰。1205 cm-1和1230 cm-1處的吸收峰代表存在連接苯環(huán)上面的醚鍵，1320 cm-1處為碳氧單鍵吸收峰，1777 cm-1處存在較明顯的吸收峰，說明羰基存在。低波數(shù)處(710～800 cm-1)存在很多峰，同時625、677、718、743 cm-1處均出現(xiàn)較尖銳吸收峰，說明苯環(huán)上面同時對苯取代和間苯取代。

1—ABS-M30 2—Ultem 9085 3—PPSF(a)ABS-M30 (b)Ultem 9085和PPSF圖3 ABS-M30、PPSF、Ultem 9085的FTIR譜圖Fig.3 FTIR spectra of ABS-M30,PPSF and Ultem 9085

分析PPSF的FTIR曲線，曲線中同樣具有苯環(huán)、N—H鍵、C—O鍵、甲基等官能團(tuán)的特征吸收峰。在1125、1320 cm-1處的2個特征吸收峰分別為PPSF中硫氧雙鍵不對稱伸縮和對稱伸縮的吸收峰。低波數(shù)處677、716、824 cm-1處的吸收峰說明PPSF中存在對苯取代。

2.2 力學(xué)性能分析2.2.1 拉伸強(qiáng)度

由圖4可知，采用普通填充方式打印時T16噴嘴綜合拉伸性能普遍優(yōu)于T12噴嘴。這是由于T16噴嘴絲材半徑較T12的大，拉伸時候單根絲材強(qiáng)度較高，不易出現(xiàn)缺陷點。同時T12噴嘴打印樣件孔隙率較T16噴嘴要高，不利于強(qiáng)度提升。

■—T16 ●—T12圖4 ABS-M30分別采用T16和T12噴嘴不同放置角度打印時的拉伸強(qiáng)度Fig.4 Tensile strength of ABS-M30 testing modelprototyping by different setting angles with nozzles of T12 and T16 respectively

從圖5可以看出，采用T16噴嘴打印時拉伸強(qiáng)度隨著放置角度的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，45 °放置時拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值。這與絲材的取向有關(guān)，0 °放置時單根絲材的拉伸取向方向垂直于測試方向，此時強(qiáng)度最低。90 °放置時絲材拉伸取向平行于測試方向，強(qiáng)度提高，但此種方式在測試過程中一旦出現(xiàn)斷裂就會性能缺陷并迅速擴(kuò)展開來，45 °放置時線材取向與拉伸方向也保持一致，并且此種放置方式可以減緩裂紋擴(kuò)展的速度，強(qiáng)度進(jìn)一步得到提高，ABS-M30、PPSF和Ultem 9085的拉伸強(qiáng)度分別達(dá)到最大值37.2、58.8、73.44 MPa。

■—ABS-M30 ●—PPSF ▲—Ultem 9085圖5 不同放置角度打印時T16噴嘴打印ABS-M30、PPSF和Ultem 9085的拉伸強(qiáng)度Fig.5 Tensile strength of ABS-M30，PPSF and Ultem 9085testing models prototyping by different setting angles with a T16 nozzle

如圖6所示，其中縱軸ABS-M30采用左邊坐標(biāo)軸，PPSF和Ultem 9085采用右邊坐標(biāo)軸。分析曲線形狀可以看到，ABS斷裂前出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象，屬于韌性斷裂。從FTIR分析結(jié)果可以看到，ABS含有柔性單元丁二烯，這與拉伸性能測試結(jié)果一致。而PPSF和Ultem 9085 2種材料強(qiáng)度較高，都呈現(xiàn)明顯的脆性斷裂，F(xiàn)TIR分析結(jié)果也表明這2種材料成分主要為一些剛性基團(tuán)。分析傳統(tǒng)注射成型與3D打印樣條的拉伸性能，可以發(fā)現(xiàn)兩者區(qū)別不是很大，這說明采用3D打印方式進(jìn)行合理規(guī)劃打印路徑能夠有效抵消由于孔隙存在帶來的材料力學(xué)性能的下降。

1—注塑ABS-M30 2—45 °打印ABS-M30 3—45 °打印PPSF4—45 °打印Ultem 9085 5—注塑PPSF 6—注塑Ultem 9085圖6 ABS-M30、PPSF和Ultem 9085分別采用傳統(tǒng)注塑與45 °打印時的拉伸性能Fig.6 Tensile strength of ABS-M30，PPSF and Ultem 9085 testing models prepared by traditional injection modeling and rapid prototyping with a 45 degrees decline

2.2.2 彎曲強(qiáng)度

從圖7可以看出，同一放置角度打印時，使用T16噴嘴成型的彎曲測試樣條比T12噴嘴打印樣條彎曲強(qiáng)度值高。采用同一噴嘴，T12和T16均表現(xiàn)為隨著放置角度的增加，彎曲強(qiáng)度逐漸增大的趨勢。具體表現(xiàn)為T16噴嘴90 °放置的最大彎曲強(qiáng)度值為67.18 MPa，T12噴嘴90 °放置的最大彎曲強(qiáng)度值為65.43 MPa。

噴嘴：■—T16 ●—T12圖7 ABS-M30采用T16和T12噴嘴不同放置角度打印的彎曲強(qiáng)度Fig.7 Bending strength of ABS-M30 testing models prototyped by different setting angles with nozzles of T12 and T16 respectively

從圖8可以看出，隨著放置角度的增加，這3種絲材均表現(xiàn)為彎曲強(qiáng)度逐漸增大的趨勢。其中ABS-M30由于本身韌性較好，隨著放置角度的增加彎曲強(qiáng)度略有增加，而PPSF、Ultem 9085的彎曲強(qiáng)度增加值較大。在放置角度為90 °時，ABS-M30、PPSF和Ultem 9085分別達(dá)到各自彎曲強(qiáng)度最大值，分別是67.18、113.18、128.41 MPa。

■—ABS-M30 ●—PPSF ▲—Ultem 9085圖8 ABS-M30、PPSF、Ultem 9085采用T16噴嘴不同放置角度打印的彎曲強(qiáng)度Fig.8 Bending strength of ABS-M30、PPSF and Ultem 9085 testing models prototyping by different setting angles with a T16 nozzle

2.2.3 沖擊強(qiáng)度

噴嘴：▲—T16 ■—T12圖9 T16和T12噴嘴不同放置角度打印ABS-M30時的沖擊強(qiáng)度Fig.9 Impact strength of ABS-M30 testing model prototyping by different setting angles with nozzles of T12 and T16 respectively

從圖9可看出，同一打印放置角度時，T16噴嘴打印測試樣條的抗沖擊性能優(yōu)于T12噴嘴。采用同一噴嘴打印，隨著打印放置角度的增加，樣條的沖擊性能先增加后減小。

如圖10所示， ABS-M30、PPSF和Ultem 9085的沖擊強(qiáng)度均表現(xiàn)出隨著打印放置角度的增加而先增大后減小的趨勢。其中0 °～45 °范圍內(nèi)增加的幅度較大，45 °～90 °減小的幅度較小。這主要是由于打印放置角度會影響絲材堆積過程排布所導(dǎo)致的。在放置角度為45 °時ABS-M30、PPSF和Ultem 9085分別達(dá)到各自沖擊強(qiáng)度的最大值，分別為45.56、89.97、111.28 kJ/m2，這些值略低于傳統(tǒng)擠塑模塑成型方式測得的沖擊強(qiáng)度值。由于3D打印過程中為了控制成型時候材料收縮率，提高及時固化性能，會減少一些韌性添加劑加入量，一定程度上會導(dǎo)致沖擊強(qiáng)度的下降。

■—ABS-M30 ●—PPSF ▲—Ultem 9085圖10 不同放置角度時采用T16噴嘴打印ABS-M30、PPSF、Ultem 9085的沖擊強(qiáng)度Fig.10 Impacting strength of ABS-M30，PPSF and Ultem 9085 testing models prototyping by different setting angles with a T16 nozzle

3 結(jié)論

(1)相比于傳統(tǒng)塑料件擠塑模塑成型方式而言，采用3D打印成型方式對成型件的拉伸強(qiáng)度影響不大，沖擊和彎曲強(qiáng)度略有增加；

(2)不同噴嘴型號會影響拉伸、沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度；拉伸、彎曲、沖擊三者的綜合性能均表現(xiàn)為T16噴嘴優(yōu)于T12噴嘴；

(3)綜合比較ABS-M30、PPSF、Ultem 9085這3種測試絲材，其拉伸、彎曲和沖擊強(qiáng)度均表現(xiàn)為Ultem 9085>PPSF>ABS-M30；

(4)打印成型過程中打印放置角度不同會很大程度影響材料的力學(xué)性能；隨著放置角度的增加，ABS-M30、PPSF、Ultem 9085呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律：拉伸、沖擊強(qiáng)度表現(xiàn)為隨著打印放置角度的增加先增大后減小，彎曲強(qiáng)度表現(xiàn)為隨著打印放置角度的增加而逐漸增大。

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盛禧奧成功通過ISO 13485∶2016認(rèn)證，全力支持醫(yī)療行業(yè)的質(zhì)量和安全發(fā)展

全球塑料、膠乳膠黏劑和合成橡膠材料生產(chǎn)商盛禧奧(NYSE∶TSE)，其全球所有醫(yī)療樹脂生產(chǎn)基地及相關(guān)部門，在2016年底達(dá)致了一個新的里程碑 - 成功取得ISO13485∶2016認(rèn)證。ISO 13485∶2016是瑞士日內(nèi)瓦國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)中規(guī)范了質(zhì)量管理體系的要求，申請者必需證明在醫(yī)療設(shè)備和相關(guān)服務(wù)方面，有能力持續(xù)滿足客戶的質(zhì)量要求并符合適用的法規(guī)。

“為了成為我們醫(yī)療應(yīng)用客戶的真正合作伙伴，我們向前邁出這一大步，取得了ISO 13485認(rèn)證，使我們的業(yè)務(wù)策略能完全配合客戶，”盛禧奧CEM業(yè)務(wù)總監(jiān)PhilippeBelot說?！百|(zhì)量和風(fēng)險管理在醫(yī)療行業(yè)非常重要，我們和客戶雙方都擁有ISO 13485這樣的標(biāo)準(zhǔn)，雙方擁有劃一的標(biāo)準(zhǔn)使我們更容易一起工作，更能確保生產(chǎn)品質(zhì)，降低不合規(guī)的風(fēng)險?！?/p>

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獲認(rèn)證者必需更深入地了解這兩個領(lǐng)域，并確定如何能有效地在這些方面提高績效。

這次認(rèn)證的ISO 13485∶2016標(biāo)準(zhǔn)，適用于制造和生產(chǎn)醫(yī)用化合物的盛禧奧生產(chǎn)設(shè)施和相關(guān)功能部門，當(dāng)中包括盛禧奧全球的相關(guān)技術(shù)服務(wù)與開發(fā)部門：研發(fā)、質(zhì)量、銷售和人力資源。

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Effect of Rapid Prototyping Technique on Mechanical Properties of Plastic Parts Through FDM Process

LIU Ya1，2, HE Bing1，2, CHEN Pengfei1，2, ZHAO Haichao1，2, BO Fuxiang1，2

(1.Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute, Xuzhou 221004, China; 2.State Key Laboratory of Interligent Manufacturing of Advanced Construction Machinery, Xnzhou Construction Machinery Group, Xuzhou 221004, China)

Taking ABS-M30, PPSF and Ultem 9085 3D printing materials as three typical cases, the plastic parts were formed through a fused deposition modeling (FDM) method, and the effect of raw materials, setting angles and printer nozzles on the mechanical properties of the parts were investigated. The results indicated that the tensile and impact strength increased at first and tended to decrease afterwards when the setting angels of printer varied from 0 ° to 90 °, and they achieved maximum values at the setting angel of 45 °. The flexural strength increased with an increase of setting angel. Moreover, the plastic parts formed by T16-type printer nozzle gained better mechanical properties than that formed by T12-type nozzle at the same position angle.

rapid prototyping; position angle; filling way; mechanical property

2016-10-22

TQ323

B

1001-9278(2017)04-0075-06

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.04.014

聯(lián)系人，lywhut15@163.com