不同因素對FDM成型件機械性能的影響研究

單琪深 王春洋 齊航

摘?要：試驗采用熔融沉積快速成型（FDM）制造工藝制備了成型件，并研究了不同放置方向（橫放、豎放、側放）和不同光柵角度（0°、15°、30°、45°、90°）這兩種因素對同種材料成型試件的機械性能的影響。通過拉伸和彎曲試驗，繪制出各試驗樣件的應力-應變曲線圖，并計算得出了相應的彈性模量與抗壓、抗拉強度，分析得出拉應力對材料性能的影響要大于切應力。拉伸與彎曲載荷下，側放的材料表現(xiàn)出的力學性能與整體穩(wěn)定性要強于豎放與橫放。拉伸與彎曲試驗均表明采用FDM制造工藝制備的成型件最佳的放置方式和光柵角度為側放/30°方向。

關鍵詞：熔融沉積;機械性能;放置方向;光柵角度

中圖分類號：TH164文獻標識碼：B

3D打印技術近年來飛速發(fā)展，增材制造已經(jīng)成為我們生活中不可或缺的制造技術，其中FDM（Fused Deposition Modeling）、SLA（Stereo Lithography Apparatus）等最為常見。FDM也因為其成本低廉、軟件開源等原因被廣泛應用。因此，在如何提高FDM產(chǎn)品性能也是近年來對于3D打印零件研究的熱點和難點[1]。現(xiàn)多數(shù)以研究分層厚度、成型方向以及光柵間隙等因素[2]對打印零件的影響為主，本文針對打印件放置方式、光柵角度進行研究，采用這兩個參數(shù)的組合對設計的試件進行試驗，并分析其抗拉強度和抗彎強度以及正應力和切應力對拉伸強度的影響因素，得出了最佳的組合參數(shù)，以期為今后在實際生產(chǎn)過程中提供參考。

1 實驗的原料和方法

1.1 主要原料和設備

聚乳酸（PLA）線材：直徑1.75mm，蘭博公司;

試樣的打印設備：JennyPrinter 2（成型尺寸為230×225×360mm，Jenny公司）桌面型3D打印機;

拉伸和彎曲試驗機：Instron5969電子萬能試驗機。

1.2 試件的成型參數(shù)

層厚為0.1mm、噴頭溫度為220℃、內(nèi)部填充率100%、噴頭移動速度為60mm/s，且層與層之間均為交錯填充[3]。

1.3 試件的制備和力學性能測試

試驗樣件除放置方式以及填充角度外均為定值參數(shù)，其中試驗樣件放置方式分為橫放、側放和豎放三種，填充角度選取為0°、15°（-75°）、30°（-60°）、45°（-45°）和90°，共15種組合。如圖1所示。為保證實驗的準確性，拉伸試驗和彎曲試驗中每種組合均制備5個試件，每個試驗共75個試件分別標記。

拉伸試驗。本試驗中利用Instron5969電子萬能試驗機對不同試驗樣件作拉伸試驗，試驗的拉伸速度為10mm/min;抗拉強度σb是由于試驗測得的最大拉力Fb除以試件的橫截面積計算得出。拉伸試驗的試件依據(jù)GB/T 1040.2-2006《塑料拉伸性能的測定》[4]設計。每組測試5個試件取平均值。

2 實驗結果與分析

拉伸試驗的結果與分析：

對制備的材料進行拉伸試驗，并繪制出拉伸應力-應變曲線圖。通過曲線可以發(fā)現(xiàn)這15種材料均有三種變形方式，即初始階段小范圍的彈性部分，中間較大范圍的塑性階段以及出現(xiàn)峰值應力后的破壞階段，計算的結果如表1所示。首先分析橫放時五種角度材料的應力應變，除90°方向的材料外，其余四種材料的應變均已經(jīng)超過了1，這表明這四種方向的材料有很好的塑性性能，究其原因，發(fā)現(xiàn)90°方向的拉伸試樣，其內(nèi)部纖維打印方向與兩端受力方向垂直。在此種情況下，抵抗外部拉應力主要靠內(nèi)部絲材層與層之間的粘結強度，因此，該纖維方向拉伸件抗拉強度較弱，材料完全被拉斷而無剪切作用。通過分析0°、15°、30°、45°方向的曲線發(fā)現(xiàn)峰值應力均超過了45MPa，0°方向的應力最高，可以達到60.9MPa，這是因為在此方向上，材料受到拉伸載荷作用時承受力的為纖維而不是層與層間的粘結力，纖維承受的力載荷要遠遠大于粘結力，材料被拉斷。45°方向時，材料受拉伸作用，此時作用在材料界面上的拉應力與切應力各占一半，材料出現(xiàn)的斷裂為拉剪斷裂。同理，15°與30°方向，當受到拉伸作用時，界面上也會受到拉伸與剪切的共同作用，只是角度大小不同則受到的剪切力也不相同。理論上分析可知，對于15°、30°、45°三個方向而言，隨著角度的增加材料會受到更大的載荷，承載能力會變?nèi)?，結合試驗可得，三個角度增大，峰值應力會逐漸減小，拉應力的作用要遠遠大于切應力的影響，符合理論分析。

觀察側放的5組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)5組材料的力學性能較為相似，均有彈性階段，較廣范圍的塑性階段以及超過最大應力后的破壞階段。且有效應變均超過了2.2，應力值均可到達55MPa，之所以5種材料性能差別不大是因為側放放置時，在Y方向打印，由于本試驗件在Y向上的尺寸較小，宏觀來看，制備的材料較為細密、密度較為均勻，不同于橫向放置時斜紋明顯這一特點，因此制備的5種材料力學性能較為相似。

同樣，在豎放放置下，5種材料的力學性能也不會相差很大，其原因在于，在X方向打印，由于本試驗件在X向上的尺寸較小，宏觀來看，很難有較大斜紋方向，因此制備的5種材料力學性能較為相似。

對比三種放置方式，整體而言，力學性能最優(yōu)的方式為側放，此種放置方式不僅塑性性能好，且應力值最大。結合圖表內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)在填充角度30°時，拉伸樣件均能夠獲得較大的拉伸應力。由于在光柵角度為30°時，拉應力和切應力的大小不同，同時也就可以得到拉應力和切應力對拉伸強度的影響因子不同，其中拉應力對于拉伸強度的影響因子明顯高于切應力。同時，從圖中還可以看出，拉伸件的斷裂伸長率由側放、橫放和豎放依次減小。也就是說側放的抗撕裂能力最強，最不容易被拉斷，也論證了試樣側放是能夠使樣件獲得最佳拉伸應力的放置方式這一結論。

拉伸試驗部分結果如下表所示。

3 結語

通過對試驗對打印樣件的研究分析，使用PLA材料、FDM制造工藝制備出的3D打印標準試驗件，隨著光柵角度的增大，拉伸先增大后減小，光柵角度為30°時拉伸極限應力最大。針對最佳的光柵角度分析拉伸及彎曲正應力和切應力，得到正應力對拉伸強度的影響大于切應力。在FDM制備的PLA試件對拉伸和彎曲強度條件有要求時，在填充率、打印速度、層高等不變的情況下，選用側放30°的方式打印效果最佳。

參考文獻：

[1]曹師增，劉元義，宋發(fā)成，孫伯乾.基于矩陣分析法的FDM樣件翹曲變形參數(shù)優(yōu)化研究[J].山東理工大學學報（自然科學版），2018，32（04）：61-64.

[2]葛慶，汪崟.3D打印工藝參數(shù)對塑料產(chǎn)品質(zhì)量的影響[J].工程塑料應用，2017，45（12）：126-129.

[3]中華人民共和國質(zhì)檢總局.GB/T 1040.2-2006，塑料拉伸性能的測定[S].北京：中國標準出版社，2006.

[4]劉亞，何冰，陳鵬飛，趙海超，薄夫祥.FDM 快速成型工藝對成型件力學性能的影響[J].中國塑料，2017，31（04）：75-80.