FDM成形工藝對輕量化液壓閥塊力學性能的影響

張 杰，梁莉蒙，王永霞，鄒玉鎖

（蚌埠學院 機械與車輛工程學院，安徽 蚌埠 233000）

增材制造技術(shù)（3D 打?。┰跈C械制造、生物、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1-2］。其中，熔融沉積成形（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）3D打印技術(shù)因具有成形材料來源廣泛、成本相對較低，后處理過程比較簡單等諸多優(yōu)點而被廣泛研究［3］。徐良文等［4］、趙靜等［5］研究了工藝參數(shù)對FDM 成形制件力學性能的影響，并確定了最優(yōu)工藝參數(shù)。鄭玲等［6］采用正交試驗法和方差分析法確定了FDM 成形工藝參數(shù)對聚乳酸（PLA）制件力學性能的影響。周石林等［7］研究了工藝參數(shù)對制件成形精度的影響，并獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)。唐鋒等［8］研究了FDM 工藝參數(shù)對軸類PLA 制件扭轉(zhuǎn)性能的影響。上述研究表明，F(xiàn)DM 成形工藝對提高3D打印產(chǎn)品力學性能具有重要意義。

提高液壓元件的節(jié)能化、輕量化設(shè)計水平可以提高液壓傳動與電傳動、機械傳動的競爭能力，而液壓閥塊作為液壓系統(tǒng)的重要元件，對于其進行輕量化設(shè)計至關(guān)重要。傳統(tǒng)制造中液壓閥塊存在質(zhì)量較大和體積較大的問題，采用增材制造技術(shù)，模型設(shè)計的自由度大大增加，可以將液壓閥塊內(nèi)規(guī)則的流道設(shè)計為重量更輕、可以消除急轉(zhuǎn)彎及冗余材料的更優(yōu)流道［9］。目前，關(guān)于液壓閥塊在增材制造工藝方面的研究較少。Chekurov 等［10］、Alshare 等［11］和Schmelzle 等［12］的研究重點主要集中在增材制造中液壓閥塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。綜上所述，研究增材制造中工藝參數(shù)對液壓閥塊力學性能的影響顯得十分必要。

基于上述研究背景，本文結(jié)合張超等［9］提出的增材制造在輕量節(jié)能型液壓閥塊制造中的設(shè)計原則，設(shè)計了一種輕量化的液壓閥塊結(jié)構(gòu)，采用FDM 技術(shù)打印PLA 材料成形液壓閥塊，通過正交試驗，研究FDM 工藝參數(shù)對輕量化液壓閥塊力學性能的影響，為增材制造在液壓閥塊設(shè)計與成形中的應(yīng)用提供理論指導。

1 試驗材料與方法

1.1 打印設(shè)備及材料

FDM 成形設(shè)備采用北京太爾時代技術(shù)有限公司生產(chǎn)的UP mini2 打印機，型號為3DP-12-4E，鏈接打印機軟件為UP studio。試驗材料為PLA，直徑為1.75 mm，密度為1.75 g/cm3。

1.2 模型設(shè)計

傳統(tǒng)液壓閥塊制造中由于加工技術(shù)的限制，流道必須與表面垂直。本研究中模型采用彎曲流道，以避免傳統(tǒng)閥塊中直角轉(zhuǎn)彎的壓力損失，使流體平穩(wěn)轉(zhuǎn)向［9］。液壓閥塊箱采用具有負泊松比的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，尺寸為50 mm×30 mm×30 mm，蜂窩單元結(jié)構(gòu)為邊長1.5 mm的正六邊形，流道直徑為8 mm，三維模型如圖1所示。

1.3 試驗設(shè)計

在前期探索試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)PLA 液壓閥塊的成形質(zhì)量及力學性能選擇打印溫度、層厚、填充率等3 個FDM 成形工藝參數(shù)作為試驗因素，分別為因素A、因素B、因素C，每個因素有3 個水平，進行L9（34） 正交試驗，研究3 個參數(shù)對PLA液壓閥塊試件力學性能的影響。正交試驗因素水平表如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Level table of orthogonal test factors

1.4 檢測方法

用WDW-300E 型萬能試驗機對PLA 液壓閥塊試件進行壓縮試驗，下降速度為1 mm/min，試驗力出現(xiàn)峰值后，停止試驗，記錄數(shù)據(jù)，試驗力的峰值即為試件的最大承載力。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 三因素對制件最大承載力的影響

根據(jù)正交試驗設(shè)計完成9 組試驗，測量各試件的最大承載力，以最大承載力為評價指標，正交試驗結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，不同參數(shù)下各試件的最大承載力存在明顯差異。試驗3試件的最大承載力最大，試驗8 試件的最大承載力最小，分別為16.504 kN 和4.612 kN，最大值是最小值的3.58倍。

表2 最大承載力正交試驗結(jié)果Table 2 Orthogonal test results of maximum bearing capacity

根據(jù)極差的大小可以判斷因素的影響程度，由表2可知，試件最大承載力的最佳因素水平為：A1B3C2，即打印溫度190 ℃、層厚0.3 mm、填充率20%。影響因素A、B、C 和空列的極差R分別為5.18、6.29、2.85、2.27，所以三因素對試件最大承載力的影響由強到弱依次是層厚（B）、打印溫度（A）、填充率（C）；空列極差可以認為是三因素交互作用及試驗誤差對試驗結(jié)果的綜合影響。

極差的大小僅能反映各因素對試驗?zāi)繕擞绊懙闹鞔侮P(guān)系，不能估計試驗誤差大小，也不能較好地體現(xiàn)各因素的影響程度及顯著性。需進一步開展方差分析，通過構(gòu)造F統(tǒng)計量，進行F檢驗來判斷因素作用的顯著性。

正交試驗空列得到的誤差包括各因素交互作用及試驗綜合誤差，由表2試驗結(jié)果可知，誤差結(jié)果不可忽略。因此，為了真實反映試驗因素對試驗結(jié)果的影響程度，將各因素交互作用及試驗綜合誤差進行合并［13-14］，然后進行方差分析，結(jié)果如表3所示。

表3 方差分析結(jié)果Table 3 ANOVA results

由表3 可知，影響試件最大承載能力的因素由強到弱依次為層厚（B）、打印溫度（A）、填充率（C），與極差分析結(jié)果一致。其中，因素B 的F值大于F0.1（2，2），表明因素B（層厚）對試驗結(jié)果影響較為顯著；根據(jù)文獻［13］，查F分布表可知，F(xiàn)0.2（2，2）=4，因素A 的F值大于F0.2（2，2），表明因素A（打印溫度）對試件最大承載力也具有一定影響；因素C（填充率）的F值遠小于F0.2（2，2），表明因素C對試件最大承載力的影響較小。結(jié)合極差分析結(jié)果可知，三因素交互作用對試驗結(jié)果沒有影響。

2.2 三因素對制件吸能性的影響

試驗用液壓閥塊塊體采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)壓縮時的重要力學性能評價指標為能量吸收特性。該指標與試件最大承載力密切相關(guān)，相同條件下，最大承載力越大，吸能性越好，能量吸收公式為：

式中：W為吸收能量，J；δ為瞬時壓潰位移，mm；F為壓潰力，即最大承載力，kN。

根據(jù)公式（1）計算9 次正交試驗的總吸收能量，如表4 所示。由表4 可知，不同參數(shù)下試件的總吸能性存在明顯差異。試驗3 試件、試驗9 試件的總吸收能量較大，分別為12.665 kJ、13.771 kJ，試驗8試件總吸收能量最小，為3.848 kJ。

表4 總吸能性正交試驗結(jié)果Table 4 Orthogonal experimental results of total energy absorption

對于制件的總吸收能量較大值的試驗條件也為A1B3C2，即打印溫度為190 ℃，層厚為0.3 mm，填充率為20%。三因素對試件總吸能性的影響由強到弱依次是層厚（B）、打印溫度（A）、填充率（C）。這與三因素對最大承載力的影響結(jié)果一致，驗證了FDM 成形PLA 液壓閥塊力學性能正交試驗結(jié)果的正確性。

3 結(jié)論

（1）通過正交試驗和極差、方差分析可知，在試驗范圍內(nèi)，三因素對PLA 材料液壓閥塊最大承載力的影響程度由強到弱依次是：層厚、打印溫度、填充率，其中層厚對試件最大承載力影響顯著，三因素交互作用對試驗結(jié)果沒有影響；

（2）PLA 材料液壓閥塊的最佳成形工藝參數(shù)組合為：A1B3C2，即打印溫度為190 ℃，層厚為0.3 mm，填充率為20%。

（3）對9 組試件進行吸能特性測量試驗。結(jié)果顯示，三因素對試件總吸能性的影響與其對最大承載力的影響結(jié)果一致，驗證了FDM 成形PLA液壓閥塊力學性能正交試驗結(jié)果的正確性。