基于FDM的3D打印PLA層間黏結(jié)機制及質(zhì)量分析

張 輝，張志永，潘愛瓊

(鄭州科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450064)

基于FDM的3D打印PLA層間黏結(jié)機制及質(zhì)量分析

張 輝，張志永，潘愛瓊

(鄭州科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450064)

介紹了熔融沉積快速成形(FDM)技術(shù)的原理和工藝特點.根據(jù)楊氏方程，結(jié)合成形工藝過程，分析了熔融沉積快速成形的層間黏結(jié)機制.為實現(xiàn)FDM的普通原型向功能原型轉(zhuǎn)變，以Creatbot 3D打印機為成形設(shè)備，選用直徑為3.0 mm的PLA絲材為成形耗材，研究了成形工藝參數(shù)對工件層間黏結(jié)質(zhì)量的影響.層間黏結(jié)強力隨噴頭移動速率和層厚的增大而增大.在保證足夠強力的前提下，綜合考慮工件成形效率和表面質(zhì)量，合理設(shè)置了成形工藝參數(shù).

3D打印；FDM；快速成形；黏結(jié)機制；黏結(jié)質(zhì)量

快速成形(Rapid Prototyping，RP)技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代后期[1]，也稱為增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術(shù).其工件成形過程為：首先生成工件的三維模型；然后利用軟件沿模型高度方向分層切片，得到各層截面的二維輪廓信息；快速成形機再按照這些輪廓信息制成二維截面薄片層；同時，上、下片層相互黏結(jié)堆積而形成實體工件.

美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)將增材制造技術(shù)按工藝特點分為7類：熔融沉積成形、光固化成形、三維立體打印、選區(qū)激光燒結(jié)/熔化、分層實體制造、材料噴射成形、定向能量沉積[2-3].熔融沉積快速成形(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)是一種典型的快速成形方法.它通常是采用絲狀供料形式，將ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)、PLA(Polylactic Acid)、PA(Polyamide)等絲料熔融并擠出成形的.

FDM成形件由熔融絲材層層黏結(jié)堆積而成，層與層的熱擴散黏結(jié)質(zhì)量在很大程度上決定著成形件的力學(xué)性能，層間黏結(jié)區(qū)是原型的薄弱區(qū)域[4-5].本文在分析絲材熔融成形黏結(jié)機制的基礎(chǔ)上，通過實驗，研究FDM工藝參數(shù)對層間黏結(jié)質(zhì)量的影響，為合理選擇快速成形工藝參數(shù)提供依據(jù).

1 FDM的原理及工藝特點

1.1成形原理

FDM是將低熔點絲材熔融后按特定路徑重新堆積來成形工件的一種工藝.其具體成形原理如圖1所示.料絲在送料電機的驅(qū)動下進入噴頭內(nèi)部，并被迅速加熱至黏流態(tài).同時，噴頭在控制系統(tǒng)指令下沿工件截面輪廓和填充路徑運動，熔融材料在上部料絲的推動下從噴嘴擠出并迅速降溫，靠自黏結(jié)性堆積在熱床上.沉積一個薄片層后，噴頭上升或熱床下降一個特定高度，再進行下一個薄片層的沉積.通過這種逐層累積的方法，可直接制造出與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全一致的三維實體.

圖1 FDM的原理示意圖

1.2工藝特點

近年來，F(xiàn)DM技術(shù)之所以發(fā)展迅猛，主要得益于其以下技術(shù)優(yōu)勢：①用傳統(tǒng)方法制造的物體形狀越復(fù)雜則成本越高，而FDM制造復(fù)雜物品不增加成本；②一臺FDM機可制造多種形狀的物品，能夠提高產(chǎn)品多樣化水平而不增加成本；③FDM可一體化成形產(chǎn)品而無須組裝；④FDM成形件可按需制作，能夠減少產(chǎn)品庫存，縮短交付時間；⑤FDM技術(shù)柔性化程度高，拓寬了產(chǎn)品設(shè)計空間；⑥FDM設(shè)備的自動化水平高，對操作者技能要求較低[6].

FDM工藝雖具有諸多優(yōu)點，但一般所制作工件強力不高，大部分FDM成形件只能用作普通原型，不能用作功能原型.而合理的加工工藝參數(shù)設(shè)置能夠改善其層間熱擴散黏結(jié)質(zhì)量，提高層間黏結(jié)強力和原型承載能力.

2 FDM實驗

2.1實驗設(shè)備

實驗所用FDM設(shè)備為Creatbot 3D打印機(圖2).該設(shè)備尺寸為250 mm×250 mm×300 mm，噴嘴直徑為0.4 mm，最小層高為0.04 mm，各軸的定位精度為0.01 mm.其噴頭可在120 mm/s的速度下穩(wěn)定運行，空程打印速度達200 mm/s，支持直徑為3.0 mm 的PLA、ABS、PA耗材類型.

圖2 FDM實驗的成形設(shè)備實物照片

2.2實驗材料

PLA是一種生物相容性好的可生物降解材料[7]，對人體和環(huán)境友好，在熔融成形時無不良刺激氣味，制作大尺寸原型時不易翹邊，具有較好的成形性能，且成品顏色艷麗.因此，PLA越來越多地被用作3D打印耗材.

實驗選用聚乳酸PLA為成形耗材.其直徑為3.0 mm，成形溫度為190～210 ℃，密度為(1.25±0.05)g/cm3，抗拉強力為60 MPa.

2.3實驗過程

本文以直徑為20 mm、高為100 mm的圓柱體模型設(shè)計為例，進行FDM實驗.其工件加工溫度設(shè)置為200 ℃.為研究層間黏結(jié)質(zhì)量，使試樣軸線方向平行于成形方向.設(shè)置多組工藝參數(shù)且每組參數(shù)制備3個試樣.用萬能材料試驗機沿成形方向進行試樣拉伸，計算試樣層間破壞所需的最大平均拉應(yīng)力，以表征不同參數(shù)下的層間黏結(jié)質(zhì)量.

3 FDM成型件的層間斷面分析

為了分析FDM成形件的斷面情況，設(shè)置了一系列基礎(chǔ)實驗.試樣均設(shè)置為完全填充，層厚t為0.1～0.3 mm，噴頭移動速率v為30～60 mm/s.試樣制成后，將其沿成形沉積方向拉斷，觀察斷裂情況.圖3所示為FDM試樣的層間斷裂形貌.由圖3可見，試樣沿層間斷裂，試樣加工過程中層間形成了網(wǎng)狀疊加結(jié)構(gòu).這說明層間黏結(jié)區(qū)是FDM成形工件的薄弱區(qū)域.

圖3 FDM試樣層間斷裂形貌(t=0.2 mm，v=45 mm/s)

絲材的黏結(jié)強力與界面溫度和擴散時間有關(guān)，黏結(jié)界面溫度越高，擴散時間越充分，界面的黏結(jié)強力就越高[4].在實際成形過程中，剛從噴嘴擠出的黏流態(tài)絲材與已固化基材有較大溫差，快速的熱傳遞過程使黏流態(tài)絲材迅速降溫，縮短了接觸面的有效潤濕時間，從而影響?zhàn)そY(jié)效果.同時，接觸面基材迅速升溫，當(dāng)溫度高于其玻璃化溫度時，基材的接觸面分子鏈段開始運動并處于高彈態(tài).此時，上層材料處于黏流態(tài)而下層基材處于高彈態(tài)，在接觸界面處不能形成整個分子主鏈的黏結(jié)，而是鏈段的黏結(jié)，在很大程度上削弱了絲材的層間黏結(jié)強力.而且，F(xiàn)DM加工是絲料逐點逐線逐面的堆積過程，片層之間形成的網(wǎng)狀疊加結(jié)構(gòu)會造成部分微孔，從而導(dǎo)致工件的層間黏結(jié)質(zhì)量下降.

4 FDM成形件的層間黏結(jié)強力分析

為了定量研究FDM工藝參數(shù)對層間黏結(jié)質(zhì)量的影響，可定義層間黏結(jié)強力為試樣斷裂時承受的最大平均拉應(yīng)力σt.其值等于試樣沿成形方向拉斷時的最大拉力Fmax除以斷面原始截面的面積A.

本文測試了完全填充時不同層厚、不同噴頭移動速率下試樣的層間黏結(jié)強力(圖4).

(a)噴頭移動速率的影響

(b)切片層厚的影響圖4 噴頭移動速率、切片層厚對PLA絲材黏結(jié)強力的影響

(1)從圖4(a)可知，隨著噴頭移動速率v的增大，PLA絲材的黏結(jié)強力增大，最大黏結(jié)強力約為41 MPa.當(dāng)噴頭移動速率v較小時，絲材黏結(jié)強力隨速率增加而快速增大;當(dāng)v≥50 mm/s時，絲材黏結(jié)強力增速放緩甚至出現(xiàn)強力下降趨勢.經(jīng)計算，在相同切片層厚下，隨噴頭移動速率增大，絲材黏結(jié)強力最大增長率約為13%.

(2)從圖4(b)可知，隨著切片層厚的增加，PLA絲材黏結(jié)強力增大.當(dāng)切片層厚t較小時，絲材黏結(jié)強力的增速隨層厚增加而較快地增大；當(dāng)切片層厚t≥0.25 mm時，絲材黏結(jié)強力的增速放緩.經(jīng)計算，在相同噴頭移動速率下，隨著切片層厚的增加，絲材黏結(jié)強力最大增長率約為20%.

(3)從圖4(b)還可以看出，當(dāng)噴頭移動速率設(shè)置為v=60 mm/s時，黏結(jié)強力增加緩慢，甚至有所下降.在v=60 mm/s，t=0.30 mm參數(shù)下，黏結(jié)強力明顯低于v=50 mm/s，t=0.30 mm的黏結(jié)強力.Creatbot 3D打印機采用電機驅(qū)動壓絲齒輪送料，送料速度會受電機轉(zhuǎn)速和送料機構(gòu)摩擦力的影響.0.30 mm的切片層厚較大，60 mm/s的噴頭移動速率較高，單位時間必需更多絲料.這種工藝設(shè)置容易出現(xiàn)供料不足的問題，導(dǎo)致打印成形時熔融絲材被拉細，黏結(jié)質(zhì)量相對下降.

(4)對比分析可知，切片層厚對絲材黏結(jié)強力的影響大于噴頭移動速率的影響.這是由于層厚越大，熱量損失就越慢，層間接觸面有效潤濕時間越長，從而黏結(jié)效果越好.在FDM加工時，為提高工件的層間黏結(jié)質(zhì)量和成形效率，增強工件的使用功能性，可采用較大的噴頭移動速率和層厚.但是，大的層厚設(shè)置會降低工件的加工精度，加重工件表面的臺階效應(yīng).因此，應(yīng)采用適當(dāng)高的噴頭移動速率和較小的層厚，以兼顧FDM工件的黏結(jié)力度、成形效率、加工精度和表面質(zhì)量.

5 結(jié)束語

3D打印快速成形技術(shù)是一種綠色高效的制造技術(shù)，適用于復(fù)雜化、個性化產(chǎn)品的定制，已被用于工業(yè)設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)、文化娛樂、生活用品等領(lǐng)域的產(chǎn)品制造.研究表明，隨層厚、噴頭移動速率的增大，層間接觸面溫度升高，有效接觸時間延長，潤濕效果變好，工件的層間黏結(jié)強力增大.較高的噴頭移動速率和較小的層厚設(shè)置，可在保證FDM工件良好層間黏結(jié)強力的前提下，提高其成形效率和表面質(zhì)量.

[1] 陳勝利.快速成形技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].制造業(yè)自動化,2009,31(10):24-26.

[2] 王運贛,王 宣.3D打印技術(shù)(修訂版)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2014:3.

[3] 顏永年,張人佶,林 峰，等.快速制造技術(shù)的發(fā)展道路與發(fā)展趨勢[J].電加工與模具，2007(B04)：25-29.

[4] 王天明,金 燁,習(xí)俊通. FDM工藝過程中絲材的黏結(jié)機理與熱學(xué)分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2006,40(7):1230-1238.

[5] Gu P,Li L.Fabrication of biomedical prototyping with locally controlled properties using FDM[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2002,51(1):181-184.

[6] 利普森,庫 曼.3D打印:從想象到現(xiàn)實[M].賽迪研究院專家組，譯.北京:中信出版社,2013.

[7] 曹燕琳,尹靜波,顏世峰.生物可降解聚乳酸的改性及其應(yīng)用研究進展[J].高分子通報,2006,84(10):90-97.

AdhesionMechanismandQualityAnalysisamongPLAof3DprintingbasedonFDM

ZHANG Hui，ZHANG Zhi-yong,PAN Ai-qiong

(Department of Mechanical Engineering,Zhengzhou College of Science & Technology,Zhengzhou 450064, China)

The paper introduced the forming principle and Process Characteristics of FDM rapid producing technology. According to Young's equation, the mechanism of interlayer bonding in FDM rapid production was analyzed combined with forming process.In order to achieve transition from nonfunctional prototypes to functional prototypes of FDM models, using the Creatbot 3D printer and 3 mm diameter polylactic acid (PLA) filament, the influence of process parameters on the bonding quality of workpiece was studied; the experiment results indicated that adhesive strength of filament increased with the nozzle moving rate. With ensure sufficient strength, it is an effective reference for reasonable process parameters to consider the forming efficiency and surface quality.

3D printing；fused deposition modeling； rapid prototyping；adhesion mechanism；adhesive quality

2017-01-06

河南省科技攻關(guān)計劃資助項目(142102210509)

張 輝(1985-)，男，河南鄭州人，碩士，助教，研究方向為先進制造技術(shù).

1006-3269(2017)03-0043-04

TH162.1

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.03.010