于國慶，畢 超

(北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

機械與模具

3D打印參數(shù)對聚乳酸試樣拉伸性能的影響

于國慶，畢 超*

(北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

研究了三維(3D)打印關鍵工藝參數(shù)(填充密度、打印層高、打印壁厚和打印溫度)對聚乳酸(PLA)試樣拉伸強度和斷裂伸長率的影響。結(jié)果表明，隨填充密度的增大，試樣的拉伸強度及斷裂伸長率均呈增大趨勢，但當填充密度為100 %時，試件結(jié)構由空間網(wǎng)狀結(jié)構轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶓w結(jié)構，造成斷裂伸長率下降；隨著打印層高的增加，試樣拉伸強度降低，但斷裂伸長率增加；隨打印壁厚的增加，試樣的拉伸強度以及斷裂伸長率均呈現(xiàn)增加的趨勢，但當打印壁厚為1.6 mm時，試件斷面以實體結(jié)構為主，造成斷裂伸長率下降；PLA材質(zhì)打印材料在210～220 ℃范圍內(nèi)獲得的試件拉伸性能最好。

三維打印；聚乳酸；拉伸性能；打印參數(shù)

0 前言

3D打印技術也稱增材制造技術[1]，加工過程中打印材料通過打印機噴嘴擠出，逐層累積、疊加，進而完成整個制造過程[2]。其具有高效率、低成本、能夠加工形狀復雜的制件、無加工廢料等特點，為零件的加工制造提供了一種新方法。近年來，3D打印技術在工業(yè)中的應用成為研究重點[3]，但由于其逐層疊加的加工方式，層與層之間的結(jié)合是通過固體物料和熔融物料相互粘接來實現(xiàn)，由此導致了試樣打印表面品質(zhì)較差問題的同時，也導致了試樣力學性能相對較低，這成為限制其在工業(yè)領域廣泛應用的關鍵因素[4-5]。提高打印制品的力學性能和打印精度是3D打印技術的一個重要研究方向。Sood等[6]針對打印試件內(nèi)部填充間隙對試件彎曲強度、沖擊強度的影響進行了研究。Pandey等[7]通過研究打印精度和打印速度的關系，提出了自適應切片方法。Amendola等[8]深入研究了打印制件的結(jié)構特征對力學性能的影響。Daekeon等[9]對影響打印制件表面品質(zhì)的因素進行了研究，并提出了一種表征熔融堆積技術(FDM)打印制件表面粗糙度的方法。胡鄧平等[10]分析了打印過程中，形成表面品質(zhì)誤差的因素，并研究了打印速度和擠出速度對打印制件表面粗糙度的影響。本文旨在揭示3D打印關鍵工藝參數(shù)(填充密度、打印壁厚、打印層高以及打印溫度)對制品打印時間、耗材用量、拉伸強度、斷裂伸長率的影響，所得結(jié)論為提高打印試樣力學性能和打印表面品質(zhì)具有一定的指導意義。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PLA耗材，直徑為1.75 mm，PLA Pro，江蘇威寶仕有限公司。

1.2 主要設備及儀器

3D打印機，Wiiboox one，江蘇威寶仕有限公司；

力學性能測試儀，Zwick/Roell Z010，德國Zwick Roell公司。

1.3 樣品制備

首先，利用Solidworks軟件設計試樣的3D模型，保存為STL格式；其次，把STL文件導入Cura軟件中，完成填充密度(20 %～100 %)、外殼壁厚(0.4～1.6 mm)、打印層高(0.06～0.22 mm)及打印溫度(190～230 ℃)等打印參數(shù)的設定，并將打印速度固定為100 mm/s，導出3G格式文件；最后，將3G格式文件導入3D打印機，進行試樣打印；其中打印模型為GB/T 1040.2—2006中的I型試樣。

1.4 性能測試與結(jié)構表征

拉伸性能按GB/T 1040.2—2006進行測試，試驗速率為1 mm/min，每種工況打印5個試樣，取其平均值作為最終測試數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 填充密度

填充密度是指線料在打印試樣外形結(jié)構內(nèi)填充的密實程度。填充密度為100 %時為完全填充，此時打印試樣為完全密實的實體；填充密度為零時為無填充，此時打印試樣為內(nèi)部無填充的殼體；填充密度在0～100 %之間時，打印試樣內(nèi)部形成空間網(wǎng)狀結(jié)構。在保持打印溫度為220 ℃、打印層高為0.2 mm、打印壁厚為0.8 mm不變的條件下，分別設定填充密度為20 %、40 %、60 %、80 %和100 %，研究填充密度對試樣打印時間、耗材用量、拉伸強度、斷裂伸長率以及打印表面品質(zhì)的影響。如圖1所示，填充密度與打印時間、耗材用量成正比關系。由圖2可知，試樣拉伸強度隨填充密度的增加而增加，斷裂伸長率隨填充密度增加先增加后減小，這是因為拉伸強度和斷裂伸長率與打印試樣的填充結(jié)構和線絲間的結(jié)合力有直接關系。在非完全填充狀態(tài)下，空間網(wǎng)狀結(jié)構在受到拉力作用時，發(fā)生網(wǎng)狀結(jié)構變形、線絲分離和線絲的拉伸斷裂。填充密度增加，使得填充結(jié)構趨于密實，有效受拉橫截面積增加，可承載的拉力增加，即拉伸強度增加。同時填充密度增加后所得結(jié)構，在拉伸過程中更有利于形成更多的網(wǎng)狀結(jié)構變形和線絲分離，從而使得斷裂伸長率增加。在完全填充狀態(tài)下，雖然拉伸強度仍呈現(xiàn)增大趨勢，但斷裂伸長率有所降低。這是因為，當試樣為完全密實的實體時，與其他填充密度的空間網(wǎng)狀結(jié)構相比，其填充結(jié)構變成了密實的線絲堆積結(jié)構，這樣雖有利于增加拉伸強度，但拉伸過程中失去了網(wǎng)狀結(jié)構的變形，僅有線絲的分離作用，從而導致斷裂伸長率降低。此外，從實驗結(jié)果上來看，填充密度的大小對試樣打印表面品質(zhì)無影響。

●—耗材用量 ■—打印時間圖1 填充密度與打印時間、耗材用量的關系Fig.1 The relationship between filling density, printingtime and filament consumption

圖2 填充密度對試樣拉伸性能的影響Fig.2 Effect of filling density on tensilemechanical properties

2.2 打印層高

打印層高是指打印過程中噴嘴到上一打印層的距離。打印層高決定試樣的打印分層數(shù)，打印層高設置越小，打印同一試樣打印層數(shù)越多。在保持打印溫度為220 ℃、填充密度為60 %、打印壁厚為0.8 mm不變的條件下，分別設定打印層高為0.06、0.10、0.14、0.18、0.22 mm，研究打印層高對打印時間、耗材用量、拉伸強度、斷裂伸長率以及打印表面品質(zhì)的影響。從圖3中可以看出，隨打印層高參數(shù)的增加，打印時間減小，但耗材用量基本保持不變。從圖4中可以看出，隨打印層高的增加，試樣拉伸強度降低，而打印層高在0.1～0.2 mm之間時，拉伸強度基本保持不變。試樣打印層高的減小，在試樣的x、y和z方向上均有利于形成致密的結(jié)構，并且有利于增加打印絲之間的結(jié)合力，從而有利于提高試樣的力學性能。但值得注意的是，3D打印試樣在拉伸過程中的變形包括兩部分，一部分是材料的變形，另一部分是打印絲之間結(jié)合的分開。致密的結(jié)構使得打印絲之間的結(jié)合力增加，有效地減少了打印絲之間結(jié)合分開而形成的變形，從而導致了隨打印層高的減小斷裂伸長率降低的現(xiàn)象。除此之外，從實驗結(jié)果上來看，打印層高是影響試樣打印表面品質(zhì)的關鍵參數(shù)。在打印試樣側(cè)壁出現(xiàn)了打印品質(zhì)的差異，打印層高為較高值(0.24 mm)時，試樣側(cè)壁表面有明顯的分層現(xiàn)象[見圖5(a)]；打印層高為較低值(0.06 mm)時，試樣的側(cè)壁表面更加光滑[見圖5(b)]。而在試樣上、下表面，打印表面品質(zhì)沒有顯著區(qū)別。

圖3 打印層高與打印時間、耗材用量的關系Fig.3 The relationship between layer height, printingtime and filament consumption

圖4 打印層高對試樣拉伸性能的影響Fig.4 Effect of layer height on tensile mechanical properties

打印層高/mm：(a)0.22 (b)0.06圖5 不同打印層高的打印表面效果圖Fig.5 Surface effect of different layer height

2.3 打印壁厚

圖6 打印壁厚與打印時間、耗材用量的關系Fig.6 The relationship between shell thickness, printingtime and filament consumption

圖7 打印壁厚對試樣拉伸性能的影響Fig.7 Effect of shell thickness on tensile mechanical properties

試樣外壁是一層由致密結(jié)構組成的外殼，其厚度稱為打印壁厚。打印壁厚參數(shù)的設定必須為噴嘴的整數(shù)倍，而本文使用的3D打印機的噴嘴直徑為0.4 mm。因此，在保持打印溫度為220 ℃、填充密度為60 %、打印層高為0.2 mm不變的條件下，分別設定打印壁厚參數(shù)為0.4、0.8、1.2、1.6 mm進行試驗。如圖6所示，打印壁厚與打印時間、耗材用量成正比關系。由圖7可知，隨打印壁厚的增加，試樣的外殼厚度增大，在進行力學性能測試時，其實際有效受拉截面積增大，從而導致其拉伸強度增大。值得注意的是，斷裂伸長率在打印壁厚相對較小時，隨打印壁厚增加呈現(xiàn)線性增加趨勢，當打印壁厚為1.2 mm時達到最大，此時內(nèi)部非完全填充區(qū)域的變形作用明顯。而當壁厚設定為1.6 mm時，斷裂伸長率降低，這可能是因為當壁厚較厚時，顯現(xiàn)出外殼致密結(jié)構對拉伸變形的限制作用。

2.4 打印溫度

圖8 打印溫度與打印時間、耗材用量的關系Fig.8 The relationship between printing temperature,printing time and filament consumption

圖9 打印溫度對試樣拉伸性能的影響Fig.9 Effect of printing temperature on tensilemechanical properties

打印溫度是指打印過程中打印機噴嘴的溫度。打印溫度決定著線料經(jīng)過噴嘴時的熔融狀態(tài)。在保持打印層高為0.2 mm、填充密度為60 %、打印壁厚為0.8 mm不變的條件下，分別設定打印溫度參數(shù)為190、200、210、220、230 ℃進行試驗。實驗中，打印溫度設置為190 ℃時，由于PLA物料熔融不充分，出現(xiàn)噴嘴堵塞及層間黏合差的現(xiàn)象，致使試樣打印失敗，故不考慮190 ℃的影響。如圖8所示，打印溫度對打印時間和耗材用量無影響。由圖9可知，隨打印溫度的升高，試樣的拉伸強度和斷裂伸長率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當打印溫度為210 ℃時，試樣的拉伸強度達到最大；打印溫度為220 ℃時，斷裂伸長率達到最大。分析出現(xiàn)拐點的原因為，當打印溫度過低時，PLA耗材經(jīng)過噴嘴時熔融狀態(tài)較差，熔體黏度較高，在熔融堆積過程中，層與層之間黏合效果較差。因此，升高打印溫度有利于層與層之間的黏合，從而提高試樣的拉伸強度和斷裂伸長率。但受PLA物料性質(zhì)的影響，當溫度過高時，物料熔體黏度過低，甚至出現(xiàn)物料分解，致使試樣的拉伸強度和斷裂伸長率下降。由此可見，PLA材質(zhì)3D打印耗材在210～220 ℃溫度范圍內(nèi)時，可獲得具有較高拉伸力學性能的試樣。此外，從實驗結(jié)果上來看，打印溫度參數(shù)對試樣表面品質(zhì)有輕微影響，但影響不大。

3 結(jié)論

(1)隨著填充密度、打印壁厚參數(shù)的增大，打印時間、耗材用量增大；打印層高參數(shù)增加，打印時間減小，但耗材用量基本保持不變；打印溫度對打印時間、耗材用量無影響；

(2)填充密度為80 %時，試樣斷裂伸長率達到峰值，同時，試件的拉伸強度隨填充密度的增加而增加，當填充密度為100 %時，試件的拉伸強度達到最大值；試樣的拉伸強度隨打印層高的增加而降低，但試樣的斷裂伸長率隨打印層高的增加而增大，打印層高在0.1～0.2 mm之間時，拉伸強度基本保持不變，試樣的斷裂伸長率卻明顯增加；試樣的拉伸強度隨打印壁厚參數(shù)增加而增大，而試樣的斷裂伸長率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，打印壁厚為1.2 mm時，試樣的斷裂伸長率達到最大值；

(3)為使PLA物料熔融充分，打印溫度需要設定在190 ℃以上，打印溫度為210 ℃時，試樣的拉伸強度達到最大，打印溫度為220 ℃時，斷裂伸長率達到最大。

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Effectsof3DPrintingParametersonTensilePerformanceofPLAPrintedSpecimens

YUGuoqing,BIChao*

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing100029, China)

The paper reported a study on the effect of key 3D printing parameters such as filling density, layer height, shell thickness and printing temperature on tensile strength and elongation at break of 3D-printed (PLA) specimens. The tensile strength and elongation at break of the printed specimens were found to increase with the increase of filling density. However, the elongation at break began to drop at a filling density of 100 %, because there was a structural transformation from space grid structure to the entity one for the printed specimens. Moreover, the elongation at break of the printed specimens increased with an increase of layer height, but their tensile strength trend to decrease. On the other hand, their tensile strength and elongation at break increased with an increase in shell thickness and shell thickness. When the print thickness was 1.2 mm, the elongation at break point began to decrease due to the entity structure of cross section in the printed specimens. The printed specimens achieve optimal mechanical properties when being printed in the temperature range of 210～220 ℃.

three dimensional printing; poly(lactic acid); tensile property; printing parameter

2017-04-21

*聯(lián)系人，bichao812@sohu.com

TQ325.1

B

1001-9278(2017)11-0125-05

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.11.020