姜世杰， 董天闊， 陳丕峰， 孫明宇， 戴衛(wèi)兵

（東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院院 沈陽，110004）

引 言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展及科技水平的提高，人們已經(jīng)不再滿足于傳統(tǒng)的加工手段，開始探索更為高效、便捷的加工方式?？焖俪尚图夹g(shù)為制造業(yè)提供了一種新型的制造手段［1］。FFF 技術(shù)因操作簡單、設(shè)備成本低廉、原材料范圍廣和綠色安全等特點(diǎn)，成為使用范圍最廣的快速成型技術(shù)之一。FFF 技術(shù)的工作原理是將絲狀的原材料通過送料管送入熱熔噴頭中，使其融化，然后噴頭通過設(shè)計(jì)好的三維打印路徑和軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔融狀態(tài)的材料擠出到所指定的位置并凝固成型，逐層打印層層累加，最終堆積成實(shí)體，完成工件的制造［2-4］。

目前，F(xiàn)FF 工件的機(jī)械性能無法與傳統(tǒng)加工方式制造的工件相媲美，成為阻礙FFF 技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素之一。因此，如何提高FFF 快速成型產(chǎn)品的機(jī)械性能，對(duì)FFF 快速成型技術(shù)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)［5］通過在聚乳酸（polylactic acid，簡稱PLA）中加入鐵或者銅等材料，發(fā)現(xiàn)金屬的加入可以改進(jìn)打印樣件的剛度和柔韌性。Goh 等［6］研究了碳纖維和玻璃纖維對(duì)快速成型熱塑性塑料力學(xué)性能和斷裂模式的影響。由于不同的材料具有不同的熱性能和冷卻速度，需要限制混合材料的比例，因此限制了產(chǎn)品強(qiáng)度的提高。Lederle 等［7］觀察到在氮?dú)猸h(huán)境下，PLA 材料在打印過程中的氧化分解被抑制，從而改善了快速成型PLA 樣品的力學(xué)性能。Jin 等［8］采用二氯甲烷蒸汽溶解PLA 樣品表面的階梯，研究了化學(xué)工藝對(duì)快速成型樣品拉伸力學(xué)性能的影響。以上方法成本較高且不易實(shí)現(xiàn)，還會(huì)使零件表面粗糙度增加，不利于大范圍推廣應(yīng)用。文獻(xiàn)［9］研究了不同光柵角度、間隙尺寸、打印層厚度、路徑寬度和加熱溫度等參數(shù)對(duì)快速成型試樣拉伸和彎曲力學(xué)性能的影響，但其原理較復(fù)雜，且不易調(diào)控。Wu 等［10］對(duì)加工好的樣件進(jìn)行超聲振動(dòng)后處理，分析超聲振動(dòng)對(duì)FFF 快速成型丙烯腈·丁二烯·苯乙烯（acrylonitrile butadiene styrene，簡稱ABS）樣品彎曲和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，超聲波強(qiáng)化處理使ABS 樣品的抗彎強(qiáng)度提高了10.8 %，彎曲模量提高了12.5 %，提高了動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，但其并不是在打印樣件過程中施加振動(dòng)，且超聲振動(dòng)設(shè)備較大，與FFF 快速成型設(shè)備結(jié)合較為困難。在快速成型領(lǐng)域，文獻(xiàn)［11］利用高功率激光系統(tǒng)、五軸數(shù)控加工中心、材料粉末輸送系統(tǒng)和電磁激振器等設(shè)備組建了振動(dòng)式的激光粉末沉積（laser powder deposition，簡稱LPD）快速成型設(shè)備。其中，激振器與工作平臺(tái)相連接來控制其振動(dòng)的幅度、頻率及方向。研究發(fā)現(xiàn)，利用振動(dòng)可以有效減少LPD 快速成型零件內(nèi)部孔洞缺陷的數(shù)量和尺寸（最高可達(dá)80%），進(jìn)而有效提高零件的機(jī)械強(qiáng)度和彈塑性能（延展性）。用此方法獲得的零件內(nèi)部組織更加細(xì)致，結(jié)構(gòu)硬度分布也更加均勻?；谙嗨频母拍?，在FFF 快速成型設(shè)備熱熔噴頭處施加振動(dòng)激勵(lì)在改進(jìn)成品的機(jī)械性能方面有很大的潛力。

筆者將壓電陶瓷與FFF 快速成型設(shè)備相結(jié)合，將振動(dòng)引入到FFF 成型過程中，通過控制、調(diào)節(jié)引入振動(dòng)的幅值和頻率，獲取施加振動(dòng)前以及不同形式振動(dòng)作用后的FFF 樣件。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了振動(dòng)對(duì)FFF 薄板抗拉強(qiáng)度和彈塑性的影響規(guī)律。

1 FFF 快速成型設(shè)備改裝

本研究使用的FFF 快速成型設(shè)備型號(hào)為D-FORCE V2，機(jī)身尺寸為400 mm×470 mm×860 mm，噴嘴直徑為0.4 mm，工作底盤直徑為260 mm，z方向可到達(dá)的最高點(diǎn)為300 mm，其3 個(gè)并聯(lián)臂可以到達(dá)指定的任意位置，并能進(jìn)行長時(shí)間的打印工作。

為了將振動(dòng)引入FFF 加工過程，將壓電陶瓷固定安裝在FFF 熔融噴頭處，利用壓電陶瓷（型號(hào)為P-5 I，尺寸為40 mm×10 mm×0.3 mm）的逆壓電效應(yīng)，通過放大器（型號(hào)為HPV-3C0150A0300D）將信號(hào)發(fā)生器（型號(hào)為VC2015H）產(chǎn)生的正弦波形電信號(hào)放大15 倍，為壓電陶瓷提供高穩(wěn)定性、高分辨率的電壓，使熔融噴頭處于縱向振動(dòng)場中，再通過加速度傳感器（B&K4517）、數(shù)據(jù)采集卡（NI USB 4431）等拾振設(shè)備確定熔融噴頭的實(shí)際振動(dòng)狀態(tài)。振動(dòng)式FFF 快速成型設(shè)備示意圖如圖1 所示。其中，信號(hào)發(fā)生器具有調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率和輸入電壓的功能，可以單獨(dú)控制用來改變振動(dòng)的頻率和幅值。

2 拉伸實(shí)驗(yàn)研究

2.1 試件準(zhǔn)備

根據(jù)ISO 527-2-2012 標(biāo)準(zhǔn)，利用FFF 快速成型設(shè)備制備了外形尺寸如圖2 所示的拉伸實(shí)驗(yàn)試件，其長度為158 mm，測試寬度為10 mm，厚度為2.4 mm。試件材料為聚乳酸，一種生物基可再生生物降解材料，具有熱穩(wěn)定性好、易加工和生物相容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用。

圖1 振動(dòng)式FFF 快速成型設(shè)備Fig.1 The vibrating FFF rapid prototyping equipment

圖2 拉伸實(shí)驗(yàn)試件（單位：mm）Fig.2 Tensile test specimen(unit:mm)

本研究共加工了30 個(gè)試件，纖維方向是縱向的試件有15 個(gè)（與拉伸方向平行，為x方向打?。?，其中：3 個(gè)為施加振動(dòng)前的試件（表示為3）；6 個(gè)為900 Hz 振動(dòng)場下試件（振動(dòng)幅值為0.18g和0.24 g 的試件各3 個(gè)，分別表示為和=1～3）；另有6 個(gè)是振動(dòng)幅值為0.2g振動(dòng)場下試件（振動(dòng)頻率分別為150 Hz 和200 Hz 的試件各3 個(gè)，分別表示為和i=1～3）。纖維方向是橫向的試件有15 個(gè)（與拉伸方向垂直，為z方向打?。?，其中：3 個(gè)為施加振動(dòng)前的試件（表示為=1～3）；6 個(gè)為900 Hz 振動(dòng)場下試件（振動(dòng)幅值為0.18g和0.24g的試件各3 個(gè)，分別表示為和=1～3）；另有6 個(gè)是振動(dòng)幅值為0.2g振動(dòng)場下試件（振動(dòng)頻率分別為150 Hz 和200 Hz 的試件各3 個(gè)，分別表示為和i=1～3）。除了施加振動(dòng)的頻率或者幅值不同之外，打印機(jī)的其他所有設(shè)置均是相同的。試件的具體參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 試件的具體參數(shù)（i=1～3）Tab.1 Specific parameters of specimens（i=1～3）

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)ISO 527-2-2012 標(biāo)準(zhǔn)，利用拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)（型號(hào)為SHIMADZU EHF-EV200K2-040）對(duì)全部30個(gè)試件進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。該設(shè)備的測量精度為±0.5 %，負(fù)載力范圍為0～200 kN，加載速率設(shè)置為5 mm/min，拉伸實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試件如圖3 所示。

圖3 拉伸實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試件Fig.3 Tensile test equipment and specimen

由于PLA 材料的機(jī)械性能遠(yuǎn)小于鋼鐵等金屬材料，因此拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)試件兩端的夾緊力僅設(shè)置為5 MPa，以防止試件損壞而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測得應(yīng)力σ的公式為

其中：F為施加在試件上的力；S為試件的橫截面積。

應(yīng)變?chǔ)诺墓綖?/p>

其中：δ為沿著拉伸方向的伸長量；L為試件的原始長度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 熔融噴頭振動(dòng)分析

利用壓電陶瓷將振動(dòng)場施加于熔融噴頭，通過拾振設(shè)備確定噴頭的實(shí)際振動(dòng)狀態(tài)，由此控制熔融噴頭產(chǎn)生不同形式的振動(dòng)狀態(tài)（豎直方向）如圖4所示。

圖4 熔融噴頭的振動(dòng)狀態(tài)Fig.4 The vibration state of the extrusion liquefier

豎直方向的簡諧振動(dòng)表達(dá)式為

其中：x為加速度；A為振幅；ω為圓頻率；t為時(shí)間；α為初相，α= 0。

3.2 x方向試件

3.2.1 幅值相同、頻率不同振動(dòng)場的影響

對(duì)比分析x方向打印的試件以及的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可以確定振動(dòng)幅值相同、頻率不同的振動(dòng)場對(duì)試件抗拉性能的影響規(guī)律。圖5 為幅值相同、頻率不同的振動(dòng)對(duì)x方向試件抗拉性能的影響曲線。可以看出，施加振動(dòng)后的試件比施加振動(dòng)前的試件抗拉強(qiáng)度更好，且應(yīng)變數(shù)值更大，彈塑性更好。

圖5 幅值相同、頻率不同的振動(dòng)對(duì)x 方向試件抗拉性能的影響Fig.5 The effect of the vibration with the same amplitude but different frequencies on the tensile property of x-direction specimens

幅值相同、頻率不同的振動(dòng)場下，x方向試件測試結(jié)果如表2 所示。由表2 可知：施加振動(dòng)前的試件的平均抗拉強(qiáng)度為45.46 MPa，施加振動(dòng)進(jìn)行加工的試件和的平均抗拉強(qiáng)度分別為47.69 MPa 和48.51 MPa，抗拉強(qiáng)度提高幅度為4.9 %和6.7 %；在極限應(yīng)變方面，施加振動(dòng)前的試件的平均應(yīng)變?yōu)?.095 %，而試件和的平均應(yīng)變值分別為0.115 %和0.116 %，提升幅度達(dá)21 %和22 %。可見，施加振動(dòng)后，F(xiàn)FF 試件的抗拉性能（抗拉強(qiáng)度和彈塑性）得到了明顯提升，且隨著振動(dòng)頻率的增大而進(jìn)一步提高。

表2 幅值相同、頻率不同的振動(dòng)場下x方向試件測試結(jié)果Tab.2 Test results of x-direction specimens fabricated under the vibration with the same amplitude but different frequencies

3.2.2 頻率相同、幅值不同振動(dòng)場的影響

根據(jù)相同的實(shí)驗(yàn)過程，對(duì)比分析x方向打印的試 件以及的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可以確定頻率相同、幅值不同的振動(dòng)場對(duì)試件抗拉性能的影響規(guī)律。圖6 為頻率相同、幅值不同的振動(dòng)對(duì)x方向試件抗拉性能的影響?？梢钥闯?，施加振動(dòng)進(jìn)行加工的試件的抗拉強(qiáng)度和彈塑性明顯優(yōu)于施加振動(dòng)前的試件。

圖6 頻率相同、幅值不同的振動(dòng)對(duì)x 方向試件抗拉性能的影響Fig.6 The effect of the vibration with the same frequency but different amplitudes on the tensile property of x-direction specimens

頻率相同、幅值不同的振動(dòng)場下x方向試件測試結(jié)果如表3 所示。由表3 可知：施加振動(dòng)前的試件的平均抗拉強(qiáng)度為45.46 MPa，施加振動(dòng)進(jìn)行加工的試件和的平均抗拉強(qiáng)度分別為46.99 MPa 和49.71 MPa，抗拉強(qiáng)度提高幅度為3.4 %和9.3 %；在極限應(yīng)變方面，施加振動(dòng)前的試件的平均應(yīng)變?yōu)?.095 %，而試件和的平均應(yīng)變分別為0.126 %和0.128 %，提升幅度達(dá)33 %和35 %?？梢?，施加振動(dòng)后，F(xiàn)FF 試件的抗拉性能（抗拉強(qiáng)度和彈塑性）得到了明顯提升，并且隨著振動(dòng)幅度的增大而進(jìn)一步增大。

表3 頻率相同、幅值不同的振動(dòng)場下x方向試件測試結(jié)果Tab.3 Test results of x-direction specimens fabricated under the vibration with the same frequency but different amplitudes

3.3 z 方向試件

3.3.1 幅值相同、頻率不同振動(dòng)場的影響

對(duì)比分析z方向打印的試件以及的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可以確定加速度幅值相同、頻率不同的振動(dòng)場對(duì)試件抗拉性能的影響規(guī)律。圖7 為幅值相同、頻率不同的振動(dòng)對(duì)z方向試件抗拉性能的影響曲線?？梢钥闯?，施加振動(dòng)后的試件比施加振動(dòng)前的試件的抗拉強(qiáng)度更好，且應(yīng)變數(shù)值更大，彈塑性更好。

圖7 幅值相同、頻率不同的振動(dòng)對(duì)z 方向試件抗拉性能的影響Fig.7 The effect of the vibration with the same amplitude but different frequencies on the tensile property of z-direction specimens

幅值相同、頻率不同的振動(dòng)場下z方向試件測試結(jié)果如表4 所示。由表4 可知，施加振動(dòng)前的試件的平均抗拉強(qiáng)度為23.68 MPa，平均極限應(yīng)變?yōu)?.057 %。利用振動(dòng)進(jìn)行加工的樣件和的平均抗拉強(qiáng)度分別為29.36 MPa 和32.79 MPa，平均極限應(yīng)變分別為0.070 % 和0.073 %?？估瓘?qiáng)度提高幅度為24 %和38 %，極限應(yīng)變提升幅度為23 %和28 %。可見，施加振動(dòng)后，F(xiàn)FF 試件的抗拉性能（抗拉強(qiáng)度和彈塑性）得到了明顯的提升，且隨著振動(dòng)頻率的增大而逐漸增大。

表4 幅值相同、頻率不同的振動(dòng)場下z方向試件測試結(jié)果Tab.4 Test results of z-direction specimens fabricated under the vibration with the same amplitude but different frequencies

3.3.2 頻率相同、幅值不同振動(dòng)場的影響

根據(jù)相同的實(shí)驗(yàn)過程，對(duì)比分析z方向打印的試 件以及的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可以確定振動(dòng)頻率相同、幅值不同的振動(dòng)場對(duì)試件抗拉性能的影響規(guī)律。圖8 為頻率相同、幅值不同的振動(dòng)對(duì)z方向試件抗拉性能的影響曲線。頻率相同、幅值不同的振動(dòng)場下z方向打印試件測試結(jié)果

圖8 頻率相同、幅值不同的振動(dòng)對(duì)z 方向試件抗拉性能的影響Fig.8 The effect of the vibration with the same frequency but different amplitudes on the tensile property of z-direction specimens

表5 頻率相同、幅值不同的振動(dòng)場下z 方向打印試件測試結(jié)果Tab.5 Test results of z-direction specimens fabricated under the vibration with the same amplitude but different frequencies

3.4 正交各向異性分析

圖9，10 為z方向和x方向打印試件的平均抗拉強(qiáng)度和極限應(yīng)變的柱狀圖?？梢姡┘诱駝?dòng)前的z和x方向打印的試件和平均抗拉強(qiáng)度分別為23.68 MPa 和45.46 MPa，兩者相差92 %；相應(yīng)的平均極限應(yīng)變分別為0.057 %和0.095 %，相差67 %。因此，施加振動(dòng)前的普通FFF 薄板的正交各向異性特點(diǎn)明顯。

當(dāng)施加振動(dòng)幅值相同（0.2g）、頻率分別為150和200 Hz 的 振 動(dòng) 時(shí)，z和x方 向 試 件以及和的平均抗拉強(qiáng)度分別相差62 %和48 %；相應(yīng)的平均極限應(yīng)變值分別相差64 %和58 %，如圖9 所示?？梢姡谜駝?dòng)后，F(xiàn)FF薄板的正交各向異性特點(diǎn)顯著降低，且隨著頻率的增大而進(jìn)一步降低。

圖9 幅值相同、頻率不同的振動(dòng)場下z 和x方向試件的平均各向異性對(duì)比圖Fig.9 Comparison of the average anisotropy of the specimens fabricated in z and x direction under the vibration with the same amplitude but different frequencies

當(dāng)施加頻率相同（900 Hz）、振動(dòng)幅值分別為0.18g和0.24g的振動(dòng)時(shí)，z和x方向試件以及和的平均抗拉強(qiáng)度分別相差27 %和25 %；相應(yīng)的平均極限應(yīng)變值分別相差65 %和62 %，如圖10 所示。可見，施加振動(dòng)后，F(xiàn)FF 薄板的正交各向異性特點(diǎn)顯著降低，且隨著振動(dòng)幅值的增大而進(jìn)一步降低。

圖10 頻率相同、幅值不同的振動(dòng)場下z 和x 方向試件的平均各向異性對(duì)比圖Fig.10 Comparison of the average anisotropy of the specimens fabricated in z and x direction under the vibration with the same frequency but different amplitudes

4 結(jié) 論

1）在FFF 快速成型中，施加振動(dòng)進(jìn)行加工的試件抗拉性能（抗拉強(qiáng)度和彈塑性）明顯優(yōu)于施加振動(dòng)前的試件，并且正交各向異性特點(diǎn)改善明顯。

2）對(duì)于施加振動(dòng)后的試件，當(dāng)施加振動(dòng)的幅值相同、頻率不同時(shí)，頻率越大，試件的抗拉強(qiáng)度越大，彈塑性越好，正交各向異性改善越明顯。

3）對(duì)于施加振動(dòng)后的試件，當(dāng)施加振動(dòng)的頻率相同、幅值不同時(shí)，幅值越大試件的抗拉強(qiáng)度越大，彈塑性越好，正交各向異性改善也越明顯。

4）將壓電陶瓷與FFF 快速成型設(shè)備相結(jié)合，將振動(dòng)引入到FFF 成型過程中，以改善FFF 產(chǎn)品的機(jī)械性能，為FFF 技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn)。