喻 紅，楊孟茹，吳 悠，姚京京，史寶璐，李小強，胡 晶

(北京工商大學材料與機械工程學院，塑料衛(wèi)生與安全質量評價技術北京市重點實驗室，北京 100048)

0 前言

以熱塑性塑料為原料，采用FDM[1-3]工藝，可以實現各種形狀復雜原型的三維(3D)打印[4-6]，由于操作簡單、材料價格適中等優(yōu)點，該方法率先得到了桌面化應用。FDM技術是將絲狀材料擠入噴頭內加熱至熔點以上，按照設定好的分層及成型路徑，在控制系統(tǒng)驅動下，將材料逐層堆積成與模型形狀一致的實體的過程[7]。而3D打印成品的力學性能，則是決定該技術能否代替注塑工藝進而推廣應用的關鍵指標[8]。

目前許多學者對FDM加工工藝參數對制品力學性能的影響進行了研究，Ziemian等[9]針對ABS絲料研究了填充角度對制品斷裂拉伸強度及疲勞性能的影響；Galantucci等[10]分析了層高、打印速度等工藝參數對制品表面粗糙度的影響；遲百宏等[11]通過對比ABS及PLA耗材，研究了構建取向對制品力學性能的影響，并與注塑試樣進行了對比。有學者研究了3D打印的 PLA材料，認為PLA 材料是脆性的并且在彈性階段呈各向異性[12]，但在使用模擬手段研究其打印性能時，為建模方便，也可以將其當作各向同性的材料來建模[13]22。3D打印制品的力學性能與成型時絲材間的層間黏結性能有關[14]，打印過程中所出現的斷層、開裂、翹曲等問題都與絲材之間的黏結強度有關，而絲材的黏結強度又與走絲路徑、層高、噴頭溫度等工藝參數密切相關。但是受到實驗條件的限制，絲材的黏結情況很難實時判斷，目前多采用模擬的方法進行研究分析[13]2[15]。

本文使用桌面3D打印機制備不同材料、不同實驗參數的拉伸和沖擊試樣，依據拉伸和沖擊實驗結果，分析材料、層高、噴頭溫度等參數對制品層間黏結情況的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

ABS，3D打印線，B-501-01，北京殷華激光快速成型與模具技術有限公司；

PLA，3D打印線，1.75 mm，浙江閃鑄三維科技有限公司。

1.2 主要設備及儀器

桌面3D打印機，Creater Pro，浙江閃鑄三維科技有限公司；

組合式數顯沖擊試驗機，XJZ-50，承德試驗機有限責任公司；

微機控制電子萬能試驗機，CMT6104，深圳市新三星計量技術有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，Quanta FEG2500，美國FEI公司。

1.3 樣品制備

根據GB/T 1040.2—2006確定拉伸試樣的基本尺寸，采用Pro/E軟件繪制3D模型，并轉為STL切片數據格式，然后導入機器自帶的工藝控制軟件中設置打印參數以形成3D打印模型包；打印試樣的填充角度如圖1所示；

圖1 試樣的填充角度示意圖Fig.1 Fill angle diagram of the specimen

前期實驗發(fā)現，對于該打印機型，當平臺溫度低于100 ℃時，打印模型首層不能牢固粘住平臺，無法順利打印，故本實驗固定平臺溫度為105 ℃，制品填充密度為100 %；打印ABS試樣的噴頭溫度變化范圍為215～230 ℃，PLA試樣噴頭的溫度變化范圍為175～195 ℃，試樣打印的層高變化范圍均為0.05～0.25 mm。

1.4 性能測試與結構表征

拉伸性能按GB/T 1040.2—2006測試，室溫，拉伸速率為4 mm/min；

沖擊強度按GB/T 1843—1996測試，室溫，無缺口樣條，擺錘能量為2.0 J；

SEM分析:樣品在液氮中脆斷后，對斷面進行噴金處理，在10 kV電壓下進行掃描，通過SEM觀察其斷裂面形貌以及絲材之間的黏結狀態(tài)。

2 結果與討論

2.1 層高對黏結性能的影響

材料是3D打印的基礎，決定了成型工藝和成型件的性能。ABS樹脂是目前使用最多的成型材料，具有強度高、韌性好、耐沖擊等優(yōu)點，但在打印時易出現模型冷卻過程中由熱應力所引起的翹曲變形。另外，PLA是一種可生物降解的環(huán)保材料，也是 FDM成型中常用的材料之一。為了對比2種材料3D打印成型時的層間黏結情況，在保持打印噴頭溫度為220 ℃、平臺溫度為105 ℃、填充密度為100 %不變的條件下，分別設定打印層高為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mm，分別研究打印層高對ABS和PLA試樣拉伸強度、斷裂伸長率及表面品質的影響。打印試樣的脆斷斷口形貌如圖2所示，可以看出，ABS和PLA試樣均隨層高的增加，絲材間的黏結狀況逐漸下降。當PLA的層高為0.05 mm時，斷面光滑，各層絲材黏結緊密，幾乎沒有孔隙，隨著打印層高的增加，斷面層間孔隙逐漸增大，絲材黏結面積明顯減小。

試樣類型，層高/mm：(a)ABS，0.1 (b)ABS，0.15 (c)ABS，0.2 (d)PLA，0.05 (e)PLA，0.2 (f)PLA，0.25圖2 ABS和PLA打印試樣脆斷口的SEM照片Fig.2 SEM of wetting-off cross-sectionalof ABS and PLA samples

(a)拉伸強度和斷裂伸長率 (b)沖擊強度圖3 不同層高對ABS試樣力學性能的影響Fig.3 Effect of different stratum height on mechanical properties of ABS sample

層高對ABS試樣力學性能的影響如圖3所示。由圖3(a)可知，隨著層高的增加，試樣的拉伸強度下降，斷裂伸長率上升，表明此階段樣條的抗拉能力減弱，而韌性增強。層高的增加使絲狀材加粗，從而增強了材料的韌性，但層高增加，同時也減小了絲狀材之間的接觸面積，致使試樣間的黏結性能下降，所以拉伸強度也會隨之下降，與SEM的結果一致。當層高繼續(xù)增加時，絲材增粗對試樣拉伸性能的提高起到了主要影響作用，故試樣的拉伸強度會重新有所提高。

由圖3(b)可知，隨著層高的增加，打印材料的沖擊強度總體呈下降的趨勢，這也是由于隨著打印絲材的加粗，致使接觸面積減小，從而導致試樣的黏結性能下降，繼而導致沖擊強度下降。此外45 °的填充面使絲材受力不均，其基本沿著狀材呈45 °方向斷裂。

層高變化對PLA試樣性能的影響如圖4所示。隨著層高的增加，PLA試樣的拉伸強度下降，表明此階段樣條的抗拉能力減弱，其變化規(guī)律與ABS材料基本一致；但斷裂伸長率的變化與ABS不同，PLA材料的3D打印試樣，隨著層高的增加，斷裂伸長率降低，絲材的增粗并未起到增韌的效果，主要是與PLA材料本身脆性較高，韌性較差有關。試樣打印層高的減小，在試樣的各個方向上均有利于形成致密的結構，并且有利于增加打印絲之間的結合力，從而有利于提高試樣的力學性能[16]。ABS的拉伸強度最高可達30 MPa，PLA試樣的拉伸強度基本分布在0.75～1 MPa之間，說明試樣的力學性能主要受材料本身性能的影響，力學性能優(yōu)異的材料是3D打印技術工程應用的基礎。

圖4 不同層高對PLA試樣力學性能的影響Fig.4 Effect of different storey on the mechanical properties of PLA samples

2.2 噴頭溫度對試樣力學性能的影響

3D打印機工作時，噴頭內部的打印材料是由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)的一個熱傳遞的過程，噴頭溫度的控制決定了打印材料的黏結性、流動性。其不僅影響打印精度，也影響打印過程的連續(xù)性，更直接影響3D打印產品的品質，因此噴頭的溫度控制尤為重要。對于層高為0.2 mm的試樣，溫度對ABS和PLA試樣拉伸強度及斷裂伸長率的影響如圖5所示。

由圖5可知，隨著噴頭溫度的升高，試樣的拉伸強度和斷裂伸長率逐漸上升，即材料的拉伸性能及韌性均隨噴頭溫度的上升而增強。在本實驗研究的溫度范圍內，熔體溫度越高，試樣的力學性能越好。根據分子熱擴散理論，溫度越高，分子鏈纏繞越多，絲材黏結情況越好，力學性能越高。在打印溫度較低時，絲材在經過噴嘴時熔融狀態(tài)較差，熔體黏度較高，在熔融堆積過程中，層與層之間的黏結效果較差，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。

(a)ABS (b)PLA圖5 噴頭溫度對試樣力學性能的影響Fig.5 Effect of sprayer temperature on mechanical properties of the specimen

2.3 退火對試樣力學性能的影響

為分析退火處理對3D打印試樣力學性能的影響，對之前得到的ABS和PLA試樣均采用烘箱溫度為65 ℃、保溫6 h、自然冷卻的方法對樣條進行退火處理，得到試樣退火前后的拉伸性能對比如圖6所示。

1—退火前ABS的拉伸強度 2—退火后ABS的拉伸強度 3—退火后ABS的斷裂伸長率 4—退火前ABS的斷裂伸長率 5—退火前PLA的斷裂伸長率 6—退火后PLA的斷裂伸長率 7—退火前PLA的拉伸強度 8—退火后PLA的拉伸強度(a)ABS (b)PLA圖6 ABS和PLA試樣退火前后力學性能的變化Fig.6 Changes of mechanical properties of ABS and PLA specimen before and after annealing

由圖6(a)可知，ABS試樣在退火前后的拉伸性能及韌性變化趨勢一致。試樣的拉伸強度和斷裂伸長率在退火后均有提高，且趨于穩(wěn)定狀態(tài)。由于試件打印成形過程中的冷卻速度過快，在沿填充路徑方向會產生殘余應力，在試件的長度和寬度方向產生殘余應力分量[17]。殘余應力的存在削弱了試件的最大拉伸應力，增大了試件在小應力范圍內斷裂的可能。而熱處理作用使試樣軟化，殘余應力得到釋放，層與層之間的黏結狀況得到改善。

PLA試樣的拉伸強度和斷裂伸長率在退火后均呈現降低的趨勢。PLA材料在該溫度下發(fā)生玻璃化轉變，由于溫度相對較低，未達到鏈段運動的能量[18]，此時PLA材料會產生較小的形變，從而使試樣彎曲變形的情況加劇，層與層之間有分離的趨勢，致使PLA試樣的拉伸強度和斷裂伸長率下降。在相同的退火溫度下，ABS退火后的拉伸強度和斷裂伸長率上升，而PLA的性能卻下降，充分顯現了材料本身結構性能對退火處理結果的影響。

3 結論

(1) 3D打印試樣的力學性能與制品的層間黏結強度有關，層高變化對PLA試樣黏結性能的影響基本與ABS保持一致，即隨著層高增加，絲材間的接觸面積變小，層與層之間的黏結性能下降，力學性能變差；

(2)打印材料的黏結強度與噴頭的溫度有關，噴頭溫度越高，材料經過噴嘴處的熔融狀態(tài)，層與層之間的黏結力就越大，接觸面間的黏結性能就越好，因此，在加工范圍內提高溫度有助于提高PLA和ABS試樣的力學性能；

(3)試樣退火后的力學性能與材料密切相關，ABS樣條退火后樣條去除了大量的殘余應力，試樣的力學性能呈現穩(wěn)定的狀態(tài)，層與層之間的黏結力改善；PLA樣條退火后樣條翹曲、變形及開裂的現象加劇，拉伸強度和韌性下降。

參考文獻：

[1] 李 靜. 光固化快速成型技術的控制原理及應用[J].現代塑料加工應用, 2002, 14(4): 15-16.

LI J. Control Principle and Application of Rapid Prototyping Technology of Light Curing[J]. Modern Plastics Processing and Applications, 2002, 14 (4): 15-16.

[2] 楊 森，鐘敏霖，張慶茂，等. 激光快速成型金屬零件的新方法[J].激光技術， 2011，25(4): 254-257.

YANG S, ZHONG M L, ZHANG Q M, et al. A New Method of Laser Rapid Prototyping of Metal Parts[J]. Laser Technology, 2011, 25 (4): 254-257.

[3] 譚永生. FDM快速成型技術及其應用[J].航空制造技術，2000 (1): 26-28.

TAN Y S. FDM Rapid Prototyping Technology and Its Application[J]. Aeronautical Manufacturing Technology,2000 (1): 26-28.

[4] HAFSA M N, WAHAB M S, ZAHID M S, et al. Evaluation of FDM Pattern with ABS and PLA Material[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 465(3): 55-59.

[5] NOVAKOVA-MARCINCINOVA L, Kuric I. Basicand Advanced Material for Fused Deposition Modeling Rapid Prototyping Technology[J]. Manuf and Ind Eng, 2012, 11(1): 24-27.

[6] MELNIKOVA R, EHRMANN A, FINSTERBUSCH K. 3D Printing of Textile-based Structures by Fused Deposition Modelling (FDM) with Different Polymer Materials[J]. Materials Science and Engineering, 2012, 62(1): 12-18.

[7] 王 位，陸亞林，楊卓如. 三維快速成型打印機成型材料[J].鑄造技術， 2001，33(1): 103-106.

WANG W, LU Y L, YANG Z R. Three-dimensional Rapid Prototyping Printer Molding Material[J]. Foundry Technology, 2001, 33 (1): 103-106.

[8] 李 港，王 璠. 3D打印成型的尼龍11力學性能變化及先進測試方法[J]. 塑料工業(yè)，2016， 44(12): 118-124.

LI G, WANG F. Analysis of Mechanical Properties and Advanced Testing Methods of Nylon 11 Fabricated by 3D Printing[J]. Plastics Industry, 2016, 44 (12): 118-124.

[9] ZIEMIAN S, OKWARA M, ZIEMIAN C W, et al. Tensile and Fatigue Behavior of Layered Acrylonitrile Butadiene Styrene[J]. Rapid Prototyping Journal, 2015, 21(3): 270-278.

[10] GALANTUCCI L M, BODI I, KACANI J, et al. Analysis of Dimensional Performance for A 3D Open-source Printer Based on Fused Deposition Modeling Technique[J]. Procedia Cirp, 2015, 97(4): 82-87.

[11] 遲百宏，解利楊，高曉東，等. FDM工藝中構建取向對塑料制品力學性能的影響[J].塑料，2015，44(4): 40-42.

CHI B H, XIE L Y, GAO X D, et al. Effects of Buil-ding Orientation in FDM Process on Mechanical Properties of Plastic Products[J]. Plastic, 2015, 44 (4): 40-42.

[12] 付 遠， 程香平，萬珍珍，等. XFEM計算3D打印PLA材料拉伸試樣的裂紋擴展[J].塑性工程學報，2016，23(2): 136-142.

FU Y, CHENG X P, WAN Z Z, et al. Crack Propagation of PLA 3D Printing Stretching Specimen by Means of XFEM[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2016, 23(2): 136-142.

[13] 張 博. 成年人腰椎三維動力學模型設計與性能分析的基礎研究[D].北京: 北京化工大學，2014.

[14] 葛 杰，馬榮全，苗冬梅，等. 3D打印建筑材料層間粘結性能試驗研究[J].建筑結構，2017，47(4): 49-53.

GE J, MA R Q, MIAO D M, et al. Experimental Study on Interlayer Bonding Properties of 3D Printed Building Materials[J]. Building Structure, 2017,47 (4): 49-53.

[15] 王成碩，賀建蕓，遲百宏，等. 熔體微滴堆疊成形溫度場模擬與實驗分析[J].塑料，2017，46(2): 30-33.

WANG C S, HE J Y, CHI B H, et al. Simulation and Experimental Analysis of Temperature Field of Melt Droplet Stack Forming[J]. Plastics, 2017, 46 (2): 30-33.

[16] 于國慶，畢 超. 3D打印參數對聚乳酸試樣拉伸性能的影響[J].中國塑料，2017，31(11): 125-129.

YU G Q, BI C. Effects of 3D Printing Parameters on Tensile Properties of PLA Samples[J]. China Plastics, 2017, 31(11): 125-129.

[17] 劉曉軍，遲百宏，王成碩，等. 熱處理工藝對3D打印PLA試件力學性能的影響[J].塑料，2017，46(2): 40-42.

LIU X J, CHI B H, WANG C S, et al. Effect of Heat Treatment Process on Mechanical Properties of 3D Printed PLA Specimens[J]. Plastics, 2017, 46 (2): 40-42.

[18] 程燕婷，孟家光. 3D打印材料柔性PLA基本性能表征[J].紡織導報，2017 (11): 109-111.

CHENG Y T, MENG J G. A Basic Characterization of Flexible PLA for 3D Printed Materials[J]. Rubber Review, 2017 (11): 109-111.