楊琦 糜娜

摘? 要：文章用實驗的方法分析了3D打印工藝中“分層”參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量和打印效率，拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等力學(xué)性能的影響，為3D打印模型時合理選擇分層參數(shù)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：3D打印;力學(xué)性能;分層

中圖分類號：TQ320.6? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）30-0052-03

Abstract： In this paper， the effects of "layering" parameters on product quality and printing efficiency， mechanical properties such as tension， compression and torsion in 3D printing process are analyzed experimentally， which provides a reference for reasonable selection of layering parameters in 3D printing model.

Keywords： 3D printing; mechanical properties; layering

3D打印是利用打印頭、噴嘴及其他打印技術(shù)，通過材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に嘯1]。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，桌面級的3D打印機(jī)以其較好的打印質(zhì)量、低廉的價格成為消費(fèi)市場的寵兒，得到了廣泛的應(yīng)用。雖然3D打印的加工精度不及機(jī)械加工要求高，但選擇合理的加工工藝參數(shù)，可以盡可能地滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的同時提高其經(jīng)濟(jì)效益。3D打印的參數(shù)主要有成型方向、層厚、填充密度、打印質(zhì)量（速度）、密閉參數(shù)、支撐參數(shù)等，不同的參數(shù)組合打印出產(chǎn)品的質(zhì)量也不盡相同，其力學(xué)性能也有較大區(qū)別。本文主要以3D打印工藝中的“層厚”參數(shù)的變化分析產(chǎn)品制造過程的影響，用試驗的方法驗證其力學(xué)性能的影響，并給出建議方案。

1 研究的條件

1.1 使用設(shè)備

北京太爾時代的UP BOX+型桌面級3D打印機(jī)，采用熔融擠出成型（MEM）工藝，成型空間尺寸為255×205×205mm，具有全封閉打印室，其切片及控制軟件為UPSTUDIO，版本為2.0.0.8，如圖1所示。

UPBOX+采用的機(jī)械結(jié)構(gòu)是笛卡爾直角坐標(biāo)式，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、剛度好，噴頭移動靈活，是目前3D打印機(jī)主流的結(jié)構(gòu)，其中X軸和Y軸采用的是同步帶傳動，Z軸采用的是滾珠絲杠傳動，如圖2所示。

1.2 選用材料

MEM工藝采用絲狀的熱熔性材料作，通過加熱熔化后從噴頭擠出來，依次堆積成型。工程塑料具有可塑性強(qiáng)、力學(xué)性能優(yōu)及加工性能好等優(yōu)點，材料的成分、形狀（尺寸）等直接影響打印件的性能，試驗采用原廠生產(chǎn)的1.75mm直徑的ABS和PLA材料，默認(rèn)的打印溫度分別為270℃和210℃。

1.3 試驗機(jī)及模型的制備

試驗選擇力學(xué)中主要的三個性能指標(biāo)：拉伸[2]、壓縮[3]和扭轉(zhuǎn)作為分析對象，采用WEW-300型微機(jī)屏顯液壓萬能試驗機(jī)，NJ-50B型扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)對試件進(jìn)行測定。

使用CERO軟件構(gòu)建試件的三維模型，包括拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)，如圖3所示。

2 層厚參數(shù)對打印件的影響

以拉伸試件（豎直放置）為例，采用99%的填充密度、默認(rèn)的打印質(zhì)量、密閉參數(shù)、支撐參數(shù)等參數(shù)不變的情況下，以0.1、0.15、0.2、0.25、0.3和0.35mm等6個層厚對試件進(jìn)行分層，3D打印實際打印的層數(shù)分別為1570層、1048層、786層、629層、525層和449層，對應(yīng)的加工時間和使用材料數(shù)，如圖4所示。

從圖中反映出“層厚”的變化對材料使用量的幾乎沒有影響，主要是由于分層的原因使打印件尺寸產(chǎn)生了1～2層的偏差導(dǎo)致;“層厚”的變化對打印時間的影響較大，主要是分層的數(shù)量與打印的時間成正比關(guān)系，即層厚越小、分層數(shù)量越大、打印時間越長。0.1mm層厚的打印件質(zhì)量最好，0.35mm層厚的的打印件質(zhì)量最差，隨著分層厚度的增加打印件質(zhì)量呈遞減的趨勢。建議選擇0.15-0.25mm的分層厚度。

3 層厚參數(shù)對零件力學(xué)性能的影響

在填充密度、打印質(zhì)量、密閉參數(shù)、支撐參數(shù)等參數(shù)不變的情況下，對豎直放置的拉伸試件、壓縮試件和扭轉(zhuǎn)試件進(jìn)行分層，每種規(guī)格打印3個試件分別進(jìn)行測試，最后取中間值進(jìn)行分析。

3.1 對零件拉伸性能的影響

使用萬能試驗機(jī)，采用0.1、0.2、0.3mm的分層厚度，99%的填充密度，其他參數(shù)采用默認(rèn)的情況下，分別得到ABS和PLA材料的試件抗拉性能（臨界拉應(yīng)力），如表1所示。

從表中可知：隨著層厚的增加，零件的抗拉性能呈較明顯的下降趨勢，低層厚的熔融狀態(tài)下材料流動性更好，層與層之間“粘黏”的更加致密，其抗拉性能就更好。PLA材料的抗拉性能，隨著層厚的增加，下降較為顯著，0.3mm層厚時大約為0.1mm層厚時的60%。

3.2 對零件壓縮性能的影響

使用萬能試驗機(jī)，對φ30×50mm的試樣，采用0.1、0.2、0.3mm的分層厚度，99%的填充密度，其他參數(shù)采用默認(rèn)的情況下，分別得到ABS和PLA材料的試件壓縮性能（臨界壓力），如表2所示。

從表中可知：層厚對打印件性能影響較小，零件的抗壓性能隨著層厚的增加的下降幅度較小，其中0.1mm和0.2mm層厚的打印件壓縮性能相差不大，0.3mm層厚的打印件也可以達(dá)到0.1mm的80%左右。

3.3 對扭轉(zhuǎn)性能的影響

采用NJ-50B型扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)，采用0.1、0.2、0.3mm的分層厚度，99%的填充密度，其他參數(shù)采用默認(rèn)的情況下，分別得到ABS和PLA材料的試件扭轉(zhuǎn)性能（最大扭矩），如表3所示。

從表中可知：試件的扭轉(zhuǎn)性能與層厚關(guān)系密切，一方面0.2mm層厚打印所成的試件抗扭轉(zhuǎn)性能是最好的，0.3層厚的次之，而0.1層厚的試件抗扭轉(zhuǎn)性能最差;另一方面PLA材料0.1mm層厚時的最大扭矩僅為0.2mm層厚時的67%。

通過以上實驗數(shù)據(jù)，我們不難發(fā)現(xiàn)：（1）PLA材料的抗拉強(qiáng)度高于ABS材料，這與材料本身的性能直接相關(guān);（2）較小的分層參數(shù)拉伸、壓縮性能較好，但扭轉(zhuǎn)性能較差，可以根據(jù)產(chǎn)品力學(xué)性能的需要進(jìn)行選擇，一般選擇0.2mm的分層厚度較佳。

4 結(jié)論

本文通過實驗的方法，分析了3D打印機(jī)的“分層”參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量和打印效率，拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等力學(xué)性能的影響，為獲得較好的3D打印模型提供了重要的分層參數(shù)的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊琦，糜娜，曹晶.3D打印技術(shù)基礎(chǔ)及實踐[M].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2018：1-3.

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[3]賈先，譚栓斌，雷鴻春，等.3D打印工藝參數(shù)對PLA壓縮性能的影響研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2018（4）：29-32.