外力壓縮作用下FDM構(gòu)件力學(xué)性能影響因素分析

王鐸，沈振輝，楊拴強(qiáng)

（福建江夏學(xué)院 工程學(xué)院，福建 福州 350108）

增材制造技術(shù)（AM）簡(jiǎn)稱3D打印，是快速成型技術(shù)之一[1-3]。通過計(jì)算機(jī)建立軟件模型，再將三維模型進(jìn)行“切片/分區(qū)”成逐層截面，打印過程中依據(jù)“分區(qū)”的二位輪廓逐層堆積材料，從而形成三維立體模型[4]。3D打印可以制造任意形狀的產(chǎn)品，制造工序簡(jiǎn)化，產(chǎn)品生產(chǎn)工期縮短，生產(chǎn)成本降低，節(jié)約材料等優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)已經(jīng)逐漸能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工零件，由于應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，受到越來越多的關(guān)注，成為近年來全球最熱門的高端技術(shù)之一[5-6]。

材料與設(shè)備是制約3D打印發(fā)展的瓶頸。目前打印材料的研發(fā)難度比設(shè)備的研發(fā)難度更大，因此材料的發(fā)展程度決定了3D打印推廣和應(yīng)用的程度[7-8]。所以歐美和日本等國(guó)家都對(duì)3D打印材料投入大量研究，以此爭(zhēng)搶21世紀(jì)制造業(yè)的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)[9]。3D打印材料中，聚合物材料的成型方式最多，如FDM、SLS和SLA等，應(yīng)用于FDM工藝的材料主要有ABS、聚乳酸(PLA)等。

在FDM工藝中，部件的機(jī)械強(qiáng)度（如壓縮強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度）和表面粗糙度是高度各向異性的[10-11]。最終制造零件的強(qiáng)度、粗糙度和幾何精度取決于各種工藝參數(shù)，如輪廓寬度、光柵角度、光柵寬度、層厚、零件方向、氣隙和機(jī)器設(shè)置[12]。選擇最佳的工藝參數(shù)設(shè)置，可以有效提高機(jī)械強(qiáng)度、表面粗糙度和幾何精度。如何提高3D打印制品的力學(xué)強(qiáng)度問題已經(jīng)成為現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

1 目前技術(shù)水平

Dawoud等通過調(diào)整光柵角度和氣隙密度等手段，采用沖擊、拉伸和彎曲變形等力學(xué)測(cè)試分析其對(duì)FDM制成品的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映出在FDM工藝中采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)，F(xiàn)DM制成品的力學(xué)性能可以達(dá)到傳統(tǒng)注塑制品的力學(xué)性能[13]。Sood A等采用統(tǒng)計(jì)方法研究氣隙、零件方位、光柵寬度、層厚和光柵角度對(duì)FDM零件拉伸、彎曲和沖擊強(qiáng)度的影響[14]。Espin等研究零件取向?qū)DM技術(shù)制備聚碳酸酯零件拉伸強(qiáng)度的影響，并用有限元方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，他們得出結(jié)論，F(xiàn)DM零件的機(jī)械強(qiáng)度本質(zhì)上是各向異性的，取決于零件的構(gòu)造方向[15]。為了提高機(jī)械強(qiáng)度，零件應(yīng)定向使其產(chǎn)生與應(yīng)力一致的最長(zhǎng)輪廓。Huang等假設(shè)FDM零件在機(jī)械性能上對(duì)結(jié)構(gòu)敏感的本質(zhì)前提下進(jìn)行建模分析，研究光柵角度對(duì)FDM零件拉伸強(qiáng)度、剪切模量、彈性模量和泊松比的影響[16]。結(jié)果表明，機(jī)械強(qiáng)度隨光柵角的增大而減小，從0°～90°不等，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。Es-Said等研究了光柵方向?qū)DM零件拉伸、彎曲和沖擊強(qiáng)度的影響。他們觀察到，試樣的破壞主要發(fā)生在層界面上[17]。Dawoud等研究光柵角度和光柵氣隙對(duì)FDM零件的機(jī)械強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)負(fù)氣隙顯著提高了FDM零件的機(jī)械強(qiáng)度[18]。

眾多研究學(xué)者都試圖確定最佳工藝參數(shù)設(shè)置，以獲得FDM零件所需的機(jī)械強(qiáng)度。但在FDM工藝研究過程中，材料、工藝、光柵角度、填充率、氣隙等諸多因素對(duì)制成品的力學(xué)性能都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。綜合上述分析，當(dāng)前研究主要取得了制件結(jié)構(gòu)、制造工藝和參數(shù)對(duì)FDM制件力學(xué)性能影響關(guān)系研究中獲得顯著的成果，但依然存在許多不足，主要體現(xiàn)在以下3各方面：所選取的各因素之間是否有交互作用，其本構(gòu)關(guān)系尚不明確；選取的因素?cái)?shù)量少，不能說清該影響是偶發(fā)因素還是存在內(nèi)部必然聯(lián)系；上述研究多采用單一變量法或多變量法研究，但沒有進(jìn)行綜合變量分析。

因此，開展多種材料相同層厚壓縮力學(xué)性能特征比較、多種材料相同層厚不同填充密度抗壓力學(xué)性能特征比較、同種材料不同打印速度和不同填充比例力學(xué)性能特征比較，研究不同影響因素和不同水平對(duì)FDM制件力學(xué)性能影響，探討各工藝因素對(duì)零件抗壓性能影響的定量表達(dá)及預(yù)測(cè)模型，解決影響FDM制件力學(xué)性能的各影響因素的重要程度和定量關(guān)系問題，對(duì)提高FDM制件抗壓力學(xué)性能具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

2 實(shí)驗(yàn)和方法

2.1 材料

實(shí)驗(yàn)中分別采用ABS、ABS+、PLA三種絲狀耗材，其直徑均為1.75 mm，白色。ABS密度為1.05，使用ABS進(jìn)行3D打印時(shí)，材料吸水率低，溫度要超過110℃，否則極易翹曲，通常使用溫度保持在180～240℃區(qū)間，熔體粘度適宜。ABS+材料的硬度、韌性和抗沖擊性能要高于ABS材料，但由于吸水率高，使用時(shí)要保證環(huán)境濕度較低，進(jìn)行3D打印時(shí)溫度通常保持在250～280℃區(qū)間。PLA材料對(duì)溫度要求比較敏感，由于材料融化溫度較低，粘性相對(duì)ABS材料較好，可以更好的附著在玻璃或亞克力等材質(zhì)的打印平臺(tái)上。打印平臺(tái)溫度保持在50℃以下，打印效果較為理想，超過50℃會(huì)影響試件底面平整度，不利于后續(xù)壓縮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，進(jìn)行3D打印時(shí)通常使用溫度保持在180～200℃區(qū)間。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

3D打印設(shè)備為北京太爾時(shí)代科技有限公司生產(chǎn)的UP-BOX+3D打印機(jī)。

FDM壓縮試驗(yàn)設(shè)備為上海松頓儀器制造有限公司生產(chǎn)的WDW-50電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)。

實(shí)驗(yàn)采用北京太爾時(shí)代科技有限公司生產(chǎn)的UPBOX+3D打印機(jī)，體積為493 mm×493 mm×517 mm，燈絲直徑為1.75 mm。UP-BOX 3D的工作溫度在15～30°C之間，相對(duì)濕度20%～50%，其打印成型原理為熱熔擠壓FDM，成型平臺(tái)尺寸為255mm×205 mm×205 mm，打印精度0.1～0.4 mm，單噴頭，噴嘴直徑0.4 mm。在UP-Studio軟件環(huán)境下運(yùn)行打印，輸入文件格式STL、UP3、UPP。采用上海松頓儀器制造有限公司生產(chǎn)的WDW-50電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，外形尺寸為850 mm×550 mm×2 100 mm，試驗(yàn)行程為1 100 mm。WDW-50電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式為落地雙柱式結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型為上空間拉伸下空間壓縮、彎曲。精度等級(jí)為0.5級(jí)，試驗(yàn)力測(cè)量精度為±0.5%，傳感器配置為美國(guó)世銓高精度負(fù)荷傳感器，變形示值誤差為示值的±0.5%，大變形測(cè)量范圍為1～900 mm，大變形示值誤差為示值的±1%。壓縮實(shí)驗(yàn)依賴Smart Test軟件環(huán)境對(duì)壓縮參數(shù)的控制、數(shù)據(jù)收集。

圖1 UPBOX+打印機(jī)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Up box+printer and its internal structure

實(shí)驗(yàn)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 604:2002《塑料：壓縮性能的測(cè)定》。試樣應(yīng)為棱柱、圓柱或管狀，試樣的尺寸應(yīng)滿足下面的不等式為試驗(yàn)時(shí)發(fā)生的最大壓縮標(biāo)稱應(yīng)變，以比值表示；x取決于試樣的形狀，圓柱為直徑、管為外徑、棱柱為厚度（橫截面積的最小側(cè)）；l為平行于壓力軸測(cè)量的試樣厚度。

2.3 實(shí)驗(yàn)樣本抽樣與數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)確定研究的四個(gè)因素，分別為層片厚度（0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 mm）、填充方式（13%、15%、20%、65%、80%、99%）、質(zhì)量（默認(rèn)、較好、較快、極快）和材料（ABS、ABS+、PLA），得到水平因素表，如表1所示。

表1 水平因素表Tab.1 Horizontal factor table

式中：

如果采用全面設(shè)計(jì)法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行分析，將表1中的四個(gè)因素的各個(gè)水平進(jìn)行組合，需要進(jìn)行5×6×4×3=360組實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)龐雜，并不利于本實(shí)驗(yàn)的研究，所以本實(shí)驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，可以從大量的實(shí)驗(yàn)因素中篩選出具有代表性的因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集方式為均勻分布式。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行抽樣，得到25組試樣樣本數(shù)據(jù)，在節(jié)省時(shí)間的同時(shí)保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性。

2.4 3D打印參數(shù)

利用IBM SPSSStatistic22軟件，將正交設(shè)計(jì)中定義的四種因子命名并確定標(biāo)簽。名稱a、b、c和d分別對(duì)應(yīng)層片厚度、填充方式、質(zhì)量和材料，制定正交設(shè)計(jì)表，如表2所示。

表2 正交設(shè)計(jì)表Tab.2 Orthogonal design table

表2列出25組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)均勻分布。為確保實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性和減少誤差，每組數(shù)據(jù)打印5個(gè)試樣，共125個(gè)試樣，如圖2所示。

圖2 25組125個(gè)試樣Fig.2 25 groups of 125 samples

2.5 FDM壓縮實(shí)驗(yàn)

試樣的壓縮試驗(yàn)使用WDW-50電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，該機(jī)配備有50 kN的稱重傳感器，并按照GB/T11997—2008標(biāo)準(zhǔn)，速度為2 mm/min。FDM樣品用于壓縮試驗(yàn)的試樣，如圖3（a）所示夾在機(jī)器壓頭中進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后壓縮的樣品如圖3（b）所示。

圖3 夾具布置和壓縮試樣（a）試驗(yàn)前和（b）試驗(yàn)后FDM壓縮零件Fig.3 Fixture arrangement and compression specimens(a)pre test and(b)post test FDM compressed parts

3 結(jié)果分析與討論

3.1 壓縮數(shù)據(jù)采集

遵照實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11997—2008，利用WDW-50電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)25組125個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，如圖4所示，試驗(yàn)采用與實(shí)驗(yàn)機(jī)匹配的Smart Test操作系統(tǒng)控制。在操作系統(tǒng)輸入試樣平均直徑和高度，誤差范圍±0.2 mm，優(yōu)選類型和試樣尺寸如表3。

表3 優(yōu)選類型和試樣尺寸Tab.3 Preferred type and specimen size

記錄每次壓縮試驗(yàn)中最大壓縮強(qiáng)度和塑料彈性模量，每組平均最大壓縮強(qiáng)度和平均塑料彈性模量，如圖4和圖5。

圖4 最大壓縮強(qiáng)度平均值柱狀圖Fig.4 Histogram of mean maximum compressive strength

圖5 彈性模量平均值柱狀圖Fig.5 Histogram of average elastic modulus

在圖4中，第20組試樣的最大，第16組試樣的最小。在圖5中，第21組試樣最大，第17組試樣最小。

3.2 壓縮試驗(yàn)分析

圖6中第16組和第17組樣品應(yīng)力-應(yīng)變曲線，曲線有明顯的直線等比例階段，曲線進(jìn)一步上升出現(xiàn)屈服階段；由于試樣內(nèi)部存在空隙，屈服階段后壓縮僅需較小的外力，就產(chǎn)生較大形變，材料向內(nèi)部塌縮引起曲線明顯下行；當(dāng)內(nèi)部材料壓縮密實(shí)后產(chǎn)生較大形變需要進(jìn)一步提高外力，所以強(qiáng)度曲線出現(xiàn)上升階段，直至材料出現(xiàn)破壞。圖6中第20組和第21組樣品應(yīng)力-應(yīng)變曲線，曲線有明顯的直線等比例階段，曲線進(jìn)一步上升出現(xiàn)屈服階段；試樣層片厚度分別為0.2 mm和0.15 mm，填充方式99%，打印質(zhì)量默認(rèn)，試樣內(nèi)部空隙很少，屈服階段后壓縮材料內(nèi)部已經(jīng)密實(shí)，當(dāng)試樣出現(xiàn)較大變形時(shí)需要增大外力，所以強(qiáng)度曲線出現(xiàn)上升階段，直至材料出現(xiàn)破壞。收集整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到表4。

圖6 第16、17、20和21組壓縮圖像Fig.6 Group 16,17,20 and 21 compressed images

表4 數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Comprehensive statistical table of data

根據(jù)表4分析：按照最大抗壓強(qiáng)度進(jìn)行比較分析，第20組試樣的最大抗壓強(qiáng)度為105.8 MPa，其參數(shù)設(shè)置為：a=0.2 mm，b=99%，ABS+材料，打印質(zhì)量默認(rèn)，該組是25組試樣中最大抗壓強(qiáng)度平均值中最高的一組；第16組試樣的最大抗壓強(qiáng)度為18.2 MPa，其參數(shù)設(shè)置為：a=0.1 mm，b=15%，ABS材料，打印質(zhì)量默認(rèn)，該組是25組試樣中最大抗壓強(qiáng)度平均值中最低的一組，表明其抗壓縮能力最差。按照彈性模量進(jìn)行比較分析，第17組試樣的彈性模量為0.144 MPa，其參數(shù)設(shè)置為：a=0.2 mm，b=20%，ABS+材料，打印質(zhì)量較快，該組是25組試樣中彈性模量平均值最小的一組，表明其剛度最弱，最易產(chǎn)生變形；第21組試樣的彈性模量為5.94 MPa，其參數(shù)設(shè)置為：a=0.15 mm，b=99%，PLA材料，打印質(zhì)量較快，該組是25組試樣中彈性模量平均值最大的一組，表明其剛度最高，最難產(chǎn)生變形?？箟盒Ч顑?yōu)秀的試樣和抗變形效果最好的試樣并不在同一組試樣上，進(jìn)行簡(jiǎn)單比較很難得出確切結(jié)論，進(jìn)一步利用MINITAB進(jìn)行綜合分析。

3.3 田口試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將表4中數(shù)據(jù)輸入MINITAB軟件系統(tǒng)中，執(zhí)行田口設(shè)計(jì)分析命令，噪聲因子分別設(shè)計(jì)為層片厚度、填充方式、質(zhì)量和材料，控制因子設(shè)計(jì)為最大壓縮強(qiáng)度和彈性模量。田口試驗(yàn)中采用信噪比來衡量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性指標(biāo)，采用信噪比分析研究，利用噪聲因子效應(yīng)最小化來確定減小過程中的變異性因子的控制。依據(jù)不同實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)選擇不同信噪比，本實(shí)驗(yàn)屬于靜態(tài)設(shè)計(jì)，以響應(yīng)為目標(biāo)，以均值和標(biāo)準(zhǔn)差為基礎(chǔ)，選擇望目（默認(rèn)），信噪比（S/N）

式中：S表示給定因子水平組合的所有噪聲因子的響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差；Y表示給定因子水平組合的響應(yīng)；詳見表5及表6。

表5 方差計(jì)算表Tab.5 Variance calculation table

表6 信噪比響應(yīng)表Tab.6 SNR response table

由表5計(jì)算可得，給定因子水平組合的所有噪聲因子的響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差S=0.393 1。表6中，C1、C2、C3和C4分別代表層片厚度、填充方式、打印質(zhì)量和材料。從表中可以看出C1的delta值最大，秩為1；C4的delta值低于C1，秩為2；C2的delta值低于C4，秩為3；C3的delta值低于C2，秩為4。秩的排序表明層片厚度對(duì)信噪比的影響最大，材料的影響次之，影響最小的為打印質(zhì)量。

對(duì)信噪比主效應(yīng)圖進(jìn)行分析，如圖7所示，根據(jù)曲線上各點(diǎn)的數(shù)值，對(duì)各個(gè)因子的水平進(jìn)行分析。圖C1中表明當(dāng)層片厚度在0.1 mm時(shí)，信噪比均值最高；圖C2中表明當(dāng)填充方式的填充度為99%時(shí)，信噪比均值最有效；圖C3中表明打印材料選擇ABS+時(shí)，有利于增強(qiáng)材料的信噪比均值；圖C4表明打印方式選擇默認(rèn)設(shè)置時(shí)，效果最佳。由上述分析得到最佳配比參數(shù)設(shè)置：C1為0.1 mm，C2為99%，C3取ABS+材料，C4選擇默認(rèn)打印方式。

圖7 各因素信噪比圖Fig.7 Signal to noise ratio of each factor

4 結(jié)論

（1）針對(duì)FMD零件加工的四種參數(shù)分析，對(duì)抗壓縮強(qiáng)度影響最大的是層片厚度，其次是材料種類，第三是填充方式，最后是打印質(zhì)量。打印抗壓縮性能優(yōu)良的FDM零件，選擇適宜的層片厚度是關(guān)鍵因素。經(jīng)田口實(shí)驗(yàn)分析，當(dāng)層片厚度為0.1 mm時(shí)，為最優(yōu)選擇。

（2）從層片厚度方面衡量，抗壓縮性能依次按從優(yōu)到差排列為：0.1、0.15、0.25、0.3、0.2；從材料方面衡量，ABS+的抗壓縮性能優(yōu)于PLA，PLA的抗壓縮性能優(yōu)于ABS；從填充方式方面衡量，抗壓縮性能依次按從優(yōu)到差排列為：99%、15%、80%、65%、20%；從打印質(zhì)量方面衡量，抗壓縮性能依次按從優(yōu)到差排列為默認(rèn)、較快、極快、較好。

（3）田口試驗(yàn)表明，在實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，綜合上述所有相關(guān)3D打印參數(shù)情況下，抗壓性能最佳的FMD零件其設(shè)置參數(shù)為：層片厚度為0.1 mm，填充度為99%，材料為ABS+，打印質(zhì)量采用默認(rèn)方式。

（4）參數(shù)的設(shè)置水平因素不是越優(yōu)越好，而是需要結(jié)合打印的實(shí)際環(huán)境、打印實(shí)物的具體力學(xué)性能要求及制造成本等多方面進(jìn)行考慮。當(dāng)打印精度較高的零件時(shí)，在選擇參數(shù)時(shí)應(yīng)該充分考慮材料本身性能，而不能直觀的進(jìn)行目測(cè)選擇。