單琪深 王春洋 齊航

摘?要：試驗采用熔融沉積快速成型（FDM）制造工藝制備了成型件，并研究了不同放置方向（橫放、豎放、側(cè)放）和不同光柵角度（0°、15°、30°、45°、90°）這兩種因素對同種材料成型試件的機械性能的影響。通過拉伸和彎曲試驗，繪制出各試驗樣件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，并計算得出了相應(yīng)的彈性模量與抗壓、抗拉強度，分析得出拉應(yīng)力對材料性能的影響要大于切應(yīng)力。拉伸與彎曲載荷下，側(cè)放的材料表現(xiàn)出的力學(xué)性能與整體穩(wěn)定性要強于豎放與橫放。拉伸與彎曲試驗均表明采用FDM制造工藝制備的成型件最佳的放置方式和光柵角度為側(cè)放/30°方向。

關(guān)鍵詞：熔融沉積;機械性能;放置方向;光柵角度

中圖分類號：TH164文獻標識碼：B

3D打印技術(shù)近年來飛速發(fā)展，增材制造已經(jīng)成為我們生活中不可或缺的制造技術(shù)，其中FDM（Fused Deposition Modeling）、SLA（Stereo Lithography Apparatus）等最為常見。FDM也因為其成本低廉、軟件開源等原因被廣泛應(yīng)用。因此，在如何提高FDM產(chǎn)品性能也是近年來對于3D打印零件研究的熱點和難點[1]。現(xiàn)多數(shù)以研究分層厚度、成型方向以及光柵間隙等因素[2]對打印零件的影響為主，本文針對打印件放置方式、光柵角度進行研究，采用這兩個參數(shù)的組合對設(shè)計的試件進行試驗，并分析其抗拉強度和抗彎強度以及正應(yīng)力和切應(yīng)力對拉伸強度的影響因素，得出了最佳的組合參數(shù)，以期為今后在實際生產(chǎn)過程中提供參考。

1 實驗的原料和方法

1.1 主要原料和設(shè)備

聚乳酸（PLA）線材：直徑1.75mm，蘭博公司;

試樣的打印設(shè)備：JennyPrinter 2（成型尺寸為230×225×360mm，Jenny公司）桌面型3D打印機;

拉伸和彎曲試驗機：Instron5969電子萬能試驗機。

1.2 試件的成型參數(shù)

層厚為0.1mm、噴頭溫度為220℃、內(nèi)部填充率100%、噴頭移動速度為60mm/s，且層與層之間均為交錯填充[3]。

1.3 試件的制備和力學(xué)性能測試

試驗樣件除放置方式以及填充角度外均為定值參數(shù)，其中試驗樣件放置方式分為橫放、側(cè)放和豎放三種，填充角度選取為0°、15°（-75°）、30°（-60°）、45°（-45°）和90°，共15種組合。如圖1所示。為保證實驗的準確性，拉伸試驗和彎曲試驗中每種組合均制備5個試件，每個試驗共75個試件分別標記。

拉伸試驗。本試驗中利用Instron5969電子萬能試驗機對不同試驗樣件作拉伸試驗，試驗的拉伸速度為10mm/min;抗拉強度σb是由于試驗測得的最大拉力Fb除以試件的橫截面積計算得出。拉伸試驗的試件依據(jù)GB/T 1040.2-2006《塑料拉伸性能的測定》[4]設(shè)計。每組測試5個試件取平均值。

2 實驗結(jié)果與分析

拉伸試驗的結(jié)果與分析：

對制備的材料進行拉伸試驗，并繪制出拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。通過曲線可以發(fā)現(xiàn)這15種材料均有三種變形方式，即初始階段小范圍的彈性部分，中間較大范圍的塑性階段以及出現(xiàn)峰值應(yīng)力后的破壞階段，計算的結(jié)果如表1所示。首先分析橫放時五種角度材料的應(yīng)力應(yīng)變，除90°方向的材料外，其余四種材料的應(yīng)變均已經(jīng)超過了1，這表明這四種方向的材料有很好的塑性性能，究其原因，發(fā)現(xiàn)90°方向的拉伸試樣，其內(nèi)部纖維打印方向與兩端受力方向垂直。在此種情況下，抵抗外部拉應(yīng)力主要靠內(nèi)部絲材層與層之間的粘結(jié)強度，因此，該纖維方向拉伸件抗拉強度較弱，材料完全被拉斷而無剪切作用。通過分析0°、15°、30°、45°方向的曲線發(fā)現(xiàn)峰值應(yīng)力均超過了45MPa，0°方向的應(yīng)力最高，可以達到60.9MPa，這是因為在此方向上，材料受到拉伸載荷作用時承受力的為纖維而不是層與層間的粘結(jié)力，纖維承受的力載荷要遠遠大于粘結(jié)力，材料被拉斷。45°方向時，材料受拉伸作用，此時作用在材料界面上的拉應(yīng)力與切應(yīng)力各占一半，材料出現(xiàn)的斷裂為拉剪斷裂。同理，15°與30°方向，當受到拉伸作用時，界面上也會受到拉伸與剪切的共同作用，只是角度大小不同則受到的剪切力也不相同。理論上分析可知，對于15°、30°、45°三個方向而言，隨著角度的增加材料會受到更大的載荷，承載能力會變?nèi)?，結(jié)合試驗可得，三個角度增大，峰值應(yīng)力會逐漸減小，拉應(yīng)力的作用要遠遠大于切應(yīng)力的影響，符合理論分析。

觀察側(cè)放的5組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)5組材料的力學(xué)性能較為相似，均有彈性階段，較廣范圍的塑性階段以及超過最大應(yīng)力后的破壞階段。且有效應(yīng)變均超過了2.2，應(yīng)力值均可到達55MPa，之所以5種材料性能差別不大是因為側(cè)放放置時，在Y方向打印，由于本試驗件在Y向上的尺寸較小，宏觀來看，制備的材料較為細密、密度較為均勻，不同于橫向放置時斜紋明顯這一特點，因此制備的5種材料力學(xué)性能較為相似。

同樣，在豎放放置下，5種材料的力學(xué)性能也不會相差很大，其原因在于，在X方向打印，由于本試驗件在X向上的尺寸較小，宏觀來看，很難有較大斜紋方向，因此制備的5種材料力學(xué)性能較為相似。

對比三種放置方式，整體而言，力學(xué)性能最優(yōu)的方式為側(cè)放，此種放置方式不僅塑性性能好，且應(yīng)力值最大。結(jié)合圖表內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)在填充角度30°時，拉伸樣件均能夠獲得較大的拉伸應(yīng)力。由于在光柵角度為30°時，拉應(yīng)力和切應(yīng)力的大小不同，同時也就可以得到拉應(yīng)力和切應(yīng)力對拉伸強度的影響因子不同，其中拉應(yīng)力對于拉伸強度的影響因子明顯高于切應(yīng)力。同時，從圖中還可以看出，拉伸件的斷裂伸長率由側(cè)放、橫放和豎放依次減小。也就是說側(cè)放的抗撕裂能力最強，最不容易被拉斷，也論證了試樣側(cè)放是能夠使樣件獲得最佳拉伸應(yīng)力的放置方式這一結(jié)論。

拉伸試驗部分結(jié)果如下表所示。

3 結(jié)語

通過對試驗對打印樣件的研究分析，使用PLA材料、FDM制造工藝制備出的3D打印標準試驗件，隨著光柵角度的增大，拉伸先增大后減小，光柵角度為30°時拉伸極限應(yīng)力最大。針對最佳的光柵角度分析拉伸及彎曲正應(yīng)力和切應(yīng)力，得到正應(yīng)力對拉伸強度的影響大于切應(yīng)力。在FDM制備的PLA試件對拉伸和彎曲強度條件有要求時，在填充率、打印速度、層高等不變的情況下，選用側(cè)放30°的方式打印效果最佳。

參考文獻：

[1]曹師增，劉元義，宋發(fā)成，孫伯乾.基于矩陣分析法的FDM樣件翹曲變形參數(shù)優(yōu)化研究[J].山東理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，32（04）：61-64.

[2]葛慶，汪崟.3D打印工藝參數(shù)對塑料產(chǎn)品質(zhì)量的影響[J].工程塑料應(yīng)用，2017，45（12）：126-129.

[3]中華人民共和國質(zhì)檢總局.GB/T 1040.2-2006，塑料拉伸性能的測定[S].北京：中國標準出版社，2006.

[4]劉亞，何冰，陳鵬飛，趙海超，薄夫祥.FDM 快速成型工藝對成型件力學(xué)性能的影響[J].中國塑料，2017，31（04）：75-80.