鄭玲，鄧鑫，2，焦曉嵐，周依莎

(1.中南林業(yè)科技大學材料科學與工程學院，長沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學材料表界面科學與技術湖南省重點實驗室，長沙 410004)

熔融沉積成型技術(FDM)在3D打印技術中應用廣泛，其原理是通過高溫將材料加熱熔化至熔融態(tài)，參考分層數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)來控制打印噴頭擠出，待產品冷卻固化，再層層堆疊，由此形成打印產品[1–2]。FDM 因其操作簡單、材料種類廣泛、制造成本低、無毒環(huán)保，目前已被較多領域接受，具有廣泛的應用前景。

與注塑零件相比，F(xiàn)DM 印刷零件的功能性應用由于其較低的力學性能而受到影響[3–4]。為了優(yōu)化工藝參數(shù)，S.H.Ahn 等[5]比較了FDM 印刷部件和注射成型部件的拉伸強度和壓縮強度，發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化FDM 工藝中氣隙和光柵取向等參數(shù)，可以有效提高成型零件的強度和質量。F.Rayegani 等[6]使用數(shù)據(jù)處理分組方法(GMDH)來建模以對FDM工藝參數(shù)進行預測和優(yōu)化。認為影響強度的最重要參數(shù)是氣隙，并表明負氣隙可以顯著地提高拉伸強度。M.Dawoud 等[7]通過優(yōu)化氣隙和光柵取向參數(shù)提高3D打印零件的力學性能。通過利用負柵格間隙和45°光柵角，高密度零件的力學性能顯著提高。相關的研究結果顯示，采用FDM 工藝方法印制的試件，其強度、硬度、模量、附著力和收縮率等都存在不同的各向特性，同時容易對試件產生蠕變效應[8–9]，因此對FDM 工藝參數(shù)進行優(yōu)化具有重要意義。

聚乳酸(PLA)材料生物降解性良好，在FDM工藝中應用廣泛。筆者以PLA 為3D打印原料，選擇合適的工藝參數(shù)，包括壁厚(邊緣寬度)、封閉面厚度、填充率、打印頭溫度和打印速度，設計正交試驗，選取合適的工藝參數(shù)，對沖擊和拉伸試驗進行數(shù)據(jù)分析，獲得最佳工藝參數(shù)，進而對PLA 制件進行優(yōu)化[10–13]。

1 實驗方法

1.1 原材料

PLA：絲狀耗材，直徑1.75 mm，北京匯天威科技有限公司。

1.2 儀器及設備

微機控制電子萬能試驗機：WDW–10型，濟南新試金試驗機有限公司；

沖擊試驗機：XJ–550型，承德試驗機有限責任公司；

3D打印機：Z300型，北京匯天威科技有限公司。

1.3 3D打印工藝參數(shù)設置及樣條制備

利用三維建模軟件繪制樣條，樣條尺寸參照GB／T 1040.1–2006 和GB／T1843–2008 制 得。將樣條模型以.STL 格式文件導出，使用Modellight 軟件進行數(shù)字模型的切片和打印參數(shù)的設置，使用3D打印機進行制樣[14]。選擇壁厚(邊緣寬度)(A)、封閉面厚度(B)、填充率(C)、打印頭溫度(D)和打印速度(E) 5 個工藝參數(shù)作為研究內容，設計5 因素3 水平的正交試驗方法進行樣條制備，因素水平表見表1。

表1 因素水平表

1.4 性能測試

試樣的拉伸性能按照GB／T 1040.1–2006 測試，拉伸速率為50 mm／min；

試樣的沖擊性能按照GB／T 1843–2008 測試。

2 結果與討論

2.1 正交試驗結果

表2 是正交試驗力學性能檢測結果。

表2 正交試驗結果

2.2 極差分析

根據(jù)極差的大小可以判斷因子的影響程度，極差分析見表3。由表2，表3 可知，對于制件的拉伸強度，最佳試驗條件為：A3B3C3D1E3，即壁厚(邊緣寬度)為1.2 mm、封閉面厚度為0.8 mm、填充率為60%、打印頭溫度為190℃、打印速度為60 mm／s；對于制件的缺口沖擊強度，最佳試驗條件為A2B2C3D2E3，即壁厚(邊緣寬度)為0.8 mm、封閉面厚度為0.6 mm、填充率為60%、打印頭溫度為200℃、打印速度為60 mm／s。

表3 極差分析結果

對制件拉伸強度來說，影響因素A，B，C，D和E的極差分別為2.203，2.497，1.748，0.486 和0.784。所以5 個因素中對拉伸強度影響由強到弱依次為封閉面厚度、壁厚、填充率、打印速度和打印頭溫度，即B＞A＞C＞E＞D；對于缺口沖擊強度來說，影響因素A，B，C，D和E的極差分別為0.459，0.448，0.544，0.110 和0.164。因此，5 個因素中對缺口沖擊強度的影響由強到弱依次為填充率、壁厚(邊緣寬度)、封閉面厚度、打印速度、打印頭溫度，即C＞A＞B＞E＞D。

2.3 單因素實驗結果分析

(1)壁厚對PLA 制件力學性能的影響。

在封閉面厚度0.6 mm、打印頭溫度200℃、填充率60%、打印速度60 mm／s 情況下，考察不同壁厚對PLA 制件力學性能的影響，圖1 為壁厚對制件力學性能的影響。由圖1 可以看到，隨著壁厚的增加，當對制件進行拉伸測試時，其實際有效受拉截面積增加，從而導致拉伸強度進一步增加。當壁厚為1.2 mm 時，制件的拉伸強度達到最大值；而缺口沖擊強度在壁厚相對較小時，隨壁厚增加呈上升趨勢，當壁厚為0.8 mm 時達到最大。當壁厚為1.2 mm時，缺口沖擊強度降低。造成這種情況的原因可能是當壁厚較厚時，外殼致密結構限制了其變形。

圖1 壁厚對制件力學性能的影響

(2)封閉面厚度對制件力學性能的影響。

在保持壁厚為0.8 mm、打印頭溫度200℃、填充率60%、打印速度60 mm／s 不變的條件下，分別設定封閉面厚度為0.4，0.6，0.8 mm 進行實驗，研究封閉面厚度對樣品力學性能的影響。圖2 為封閉面厚度對制件力學性能的影響。

圖2 封閉面厚度對制件力學性能的影響

由圖2 可知，隨著封閉面厚度的增加，制件的拉伸強度和缺口沖擊強度呈現(xiàn)不同的變化，封閉面厚度越大，拉伸強度越大，并在封閉面厚度為0.8 mm時達到最大值；而缺口沖擊強度在封閉面厚度小于0.6 mm 時，隨著封閉面厚度的增加而增加，在0.6 mm處出現(xiàn)極大值。在封閉面厚度為0.8 mm時，缺口沖擊強度降低到最小。這與壁厚對制件力學性能的影響趨勢一致，封閉面厚度越厚，樣品填充密度較好，其變形受到限制。

(3)填充率對試樣力學性能的影響。

在封閉面厚度0.6 mm、打印頭溫度200℃、壁厚0.8 mm、打印速度60 mm／s的情況下，填充率對制件的力學性能影響如圖3 所示。當填充率為60%時，拉伸強度和缺口沖擊強度達到最佳狀態(tài)，且填充率越大，試樣的力學性能越好。這是由于拉伸強度和缺口沖擊強度與結構有密切關系，且填充率增加，線絲間的結合力愈好，填充結構愈趨于致密，承載受力增加，因此拉伸強度提高。

圖3 填充率對制件力學性能的影響

(4)打印頭溫度對打印制件力學性能的影響。

打印頭溫度是指打印過程中打印機噴嘴的溫度，打印頭的溫度決定著線料經過噴嘴時的熔融狀態(tài)[15]。在封閉面厚度0.6 mm、填充率60%、打印壁厚0.8 mm、打印速度60 mm／s 不變的條件下，打印頭溫度對制件力學性能的影響如圖4 所示，隨著打印頭溫度的增加，制件的拉伸強度和缺口沖擊強度呈現(xiàn)不同方向的變化。當打印頭溫度為200℃，其拉伸強度達到最小值，而缺口沖擊強度達到最大值。出現(xiàn)此情況是因為溫度與熔融狀態(tài)有關，當打印頭溫度較低時，熔絲在堆積過程中，其熔合強度較低。因此溫度升高有利于線料之間的熔合度，制件的制品缺口沖擊強度增強。但受到PLA 材料性質的影響，會出現(xiàn)物料分解現(xiàn)象，使得材料性能下降。

圖4 打印頭溫度對制件力學性能的影響

(5)打印速度對試樣力學性能的影響。

打印速度是指填充網(wǎng)格的速度[16]。在封閉面厚度0.6 mm、打印溫度200℃、填充率60%、打印壁厚0.8 mm的條件下，打印速度對制件力學性能的影響如圖5 所示。由圖5 可以看到，制件的拉伸強度和缺口沖擊強度隨著打印速度的提高而增強，在打印速度為60 mm／s，制件的力學性能達到最大值。這說明了打印速度在60 mm／s 時，擠出的絲材能有足夠時間使得層與層之間相互融合，提高粘接質量，從而提高力學性能。當打印速度過快時，容易出現(xiàn)絲材熔融狀態(tài)較差的情況，導致制件力學性能不夠理想。

圖5 打印速度對試樣性能的影響

2.4 綜合性能方差分析

試驗采用綜合評價的方法對拉伸強度和缺口沖擊強度兩個指標進行加權處理?？紤]到選擇最佳工藝條件后打印的制件為模型(擺件)，模型對缺口沖擊強度的要求較高，因此將拉伸強度的權數(shù)設為0.4，缺口沖擊強度的權數(shù)設為0.6 (可根據(jù)制件用途調整隸屬度)?？紤]到拉伸強度的數(shù)據(jù)區(qū)間與缺口沖擊強度的數(shù)據(jù)區(qū)間不一致，且量綱不同，故不能將二者直接進行加權處理，需將兩指標進行線性函數(shù)歸一化處理后再進行加權處理，做綜合評價。

制件綜合性能評價正交試驗方差分析數(shù)據(jù)處理及歸一化加權處理結果見表4 和表5。其中空列1 和空列2 表示因子之間交互作用產生的影響(在對正交試驗進行方差分析時，必須估計隨機誤差，而隨機誤差是通過正交表中空列得到的，由空列得到的誤差包含了試驗和交互作用的綜合誤差，是一種估算值)。兩個空列對結果均未達到不可忽略的程度，應視為誤差處理。由表4 和表5 可知，綜合性能最佳的工藝條件為A2B2C3D2E3，即壁厚(邊緣寬度)為0.8 mm、封閉面厚度為0.6 mm、填充率為60%、打印頭溫度為200℃、打印速度為60 mm／s。由方差分析表(表6)可知，F(xiàn)0.1表示因子對制件性能影響較為顯著。影響因素A，B，C，D和E的F比分別為5.385 375，2.510 922，8.730 039，0.008 079和0.920 010。因此，5 個因素中對綜合性能的影響由強到弱依次為填充率(C)、壁厚(A)、封閉面厚度(B)、打印速度(E)、打印頭溫度(D)，即C＞A＞B＞E＞D。

表4 綜合評價

表5 歸一化加權處理結果表

表6 方差分析表

忽略空列誤差而得到的方差分析表不能真實反應試驗因素對結果的影響大小。因此，需將實驗誤差進行合并，對方差分析表進行矯正。矯正后的方差分析表見表7。其中，F(xiàn)α為分布臨界值，設置F0.05和F0.01主要是討論因子對制件綜合性能影響是否顯著。當F比大于等于F0.05，代表方程顯著，F(xiàn)比大于等于F0.01，代表方程極顯著，若F比小于F0.05，則代表方程不顯著。由表7 可以看出，5 個因素中對綜合性能的影響由強到弱依次為填充率、壁厚、封閉面厚度、打印速度、打印頭溫度，即C＞A＞B＞E＞D，該結果與矯正前的方差分析表一致，其中填充率對制件綜合性能的影響達到極顯著，壁厚(邊緣寬度)對制件綜合性能的影響達到顯著但未至極顯著，其它因素對制件綜合性能的影響均未達到顯著水平。

表7 矯正方差分析表

3 結論

(1)由正交試驗結果分析可知，拉伸強度最佳的工藝條件是壁厚(邊緣寬度)為1.2 mm、封閉面厚度為0.8 mm、填充率為60%、打印頭溫度為190℃、打印速度為60 mm／s；缺口沖擊強度最佳的工藝條件是壁厚(邊緣寬度)為0.8 mm、封閉面厚度為0.6 mm、填充率為60%、打印頭溫度為200℃、打印速度為60 mm／s；

(2)通過對正交試驗結果的極差分析得到5 個因素中對拉伸強度影響由強到弱依次為封閉面厚度、壁厚(邊緣寬度)、填充率、打印速度和打印頭溫度；5 個因素中對缺口沖擊強度影響由強到弱依次為填充率、壁厚(邊緣寬度)、封閉面厚度、打印速度、打印頭溫度。

(3)填充率對制件綜合性能的影響極顯著，壁厚(邊緣寬度)對制件綜合性能的影響顯著，其它因素對制件綜合性能的影響均未達到顯著水平。

(4)通過綜合評價方差分析的方法對PLA 制件的綜合力學性能進行了研究，得到最佳工藝參數(shù)：壁厚0.8 mm、封閉面厚度0.6 mm、填充率60%、打印頭溫度200℃、打印速度60 mm／s。5 個因素中對綜合性能的影響由強到弱依次為填充率、壁厚、封閉面厚度、打印速度、打印頭溫度。