唐鋒，熊建武，夏凱，徐文慶，劉少華，胡智清

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術學院，長沙 410208； 2.復雜薄壁精密零件智能柔性加工技術湖南省工程研究中心，長沙 410082；3.湖南財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術學院，湖南衡陽 421002)

增材制造(俗稱為3D 打印)是以數(shù)字化模型為基礎，將塑料或金屬等材料以逐層堆積的方式制造出實體物品的新興制造技術[1]。增材制造成型系統(tǒng)由CAD 模型直接驅動，能將產(chǎn)品三維模型直接制造成實體零件[2]，因其具有節(jié)省材料、可成型任意復雜結構、可按需制造的特點，廣泛應用于模具、汽車、航空航天、醫(yī)療等領域及日常生活中[3]。目前的主要研究集中在工藝參數(shù)對熔融沉積成型(FDM)制件拉伸性能與沖擊性能的影響，具體是：(1) FDM成型技術因成型過程無污染，設備、耗材價格低廉，是目前使用最廣泛的3D 打印技術，其成型材料眾多，聚乳酸(PLA)材料因具有良好的生物降解性，在FDM 技術中應用較多[4]。(2)隨著FDM 應用領域越來越廣，對其性能要求越來越高，因在FDM 制造過程中，相關參數(shù)的設置直接影響成型件的質量與強度，故為了獲得具有優(yōu)良力學性能的制件，很多學者對其相關工藝參數(shù)進行了研究，如白鶴等[5]采用5 因素4 水平正交試驗對16 組不同工藝參數(shù)包括打印層厚、填充密度、打印溫度、填充速度、外殼厚度的FDM 3D 打印PLA 制件的拉伸性能進行研究，分析得到了在打印層厚0.15 mm，填充密度40%，打印溫度210℃，填充速度60 mm/s，外殼厚度1.6 mm 條件下可獲得拉伸強度最佳的制件；鄭玲等[6]采用5 因素3 水平設計正交試驗，研究了壁厚、封閉面厚度、填充率、打印速度和打印頭溫度對PLA 制件拉伸性能及沖擊性能的影響，最后提出了壁厚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 的最佳參數(shù)設定；楊露等[7]結合單因素和正交試驗分析，研究了填充角度、打印速度、打印溫度、填充密度以及分層厚度對PLA 試件拉伸強度的影響，并對試件拉伸強度進行測試。結果表明，各參數(shù)對3D 打印PLA試件的影響大小為：填充密度＞分層厚度＞填充角度＞打印溫度＞打印速度，且當打印分層厚度為0.3 mm，打印速度為80 mm/s，打印溫度為210℃，填充密度為40%，填充角度為45°，試件具有最優(yōu)的拉伸強度。(3)徐良文等[8]以打印層高、填充方向、填充密度、打印速度等3D 打印參數(shù)作為因素設計正交實驗法，研究了層高、填充方向、填充密度和打印速度對PLA 拉伸性能的影響；文周[9]采用田口方法研究填充密度、沉積方向和填充圖案三個因素對PLA 制品彎曲性能的影響；張春蕊等[10]提出不同填充率下建立預制件三維模型方法，依據(jù)此方法進行有限元仿真分析和實驗。結果表明，填充率對3D 打印預制件所受拉伸應力、壓縮應力、彎曲應力均有較大影響，而扭轉情況下影響較小。

上述研究主要集中在工藝參數(shù)對FDM 制件拉伸性能、彎曲性能及沖擊性能的影響，但是，學者和產(chǎn)品開發(fā)設計人員對FDM 制件扭轉性能的研究甚少，多個工藝參數(shù)對FDM 制件扭轉性能的研究處于空白狀態(tài)。筆者以電動剃須刀實際應用情形下，制造滿足要求的塑料傳動軸為例，采用單因素分析方法與4 因素4 水平正交試驗方法研究單因素及多因素對FDM 制件扭轉性能的影響，以期提高制件的扭轉性能及填補工藝參數(shù)對FDM 制件扭轉性能的影響的空白，可為打印制件性能提升和工藝的優(yōu)化提供參考。

1 應用分析

電動剃須刀是男士生活中不可缺少的一種日常物品，對于在南極科考船或科考站工作的男士科考隊員同樣是必備的生活物品，其外形見圖1。因連接電動機和刀片的傳動軸磨損導致電動剃須刀不能正常使用，其塑料傳動軸外形如圖2 所示?？瓶缄爢T每次外出科考的工作時間少則一個月，多則一年[11]為了保證科考隊員的生活質量，在購買新的剃須刀不便的情況下，需要維修電動剃須刀，采用3D打印技術制造傳動軸替換已損壞的傳動軸，是一件非常有必要的事情。

圖1 電動剃須刀

圖2 塑料傳動軸

1．1 工作原理

電動剃須刀是一種通過微型電動機帶動傳動軸，傳動軸帶動內(nèi)刀片動作，利用剪切原理，將伸進孔中的胡須切斷。

1．2 計算

電動剃須刀相關參數(shù)列于表1。

表1 電動剃須刀相關參數(shù)

經(jīng)計算可知，電動剃須刀傳動軸傳遞扭矩為0.006 4 N·m，為了采用FDM 技術獲得傳遞扭矩為0.006 4 N·m 的軸，筆者研究FDM 技術工藝參數(shù)對扭轉性能的影響，以期采用最佳扭轉性能參數(shù)制造滿足使用性能的傳動軸，具體流程如圖3 所示。

圖3 3D 打印制造剃須刀傳動軸流程圖

2 試驗部分

為了獲得最佳扭轉性能的FDM 工藝參數(shù)制備電動剃須刀傳動軸，設置試驗。

2．1 主要原材料

PLA 線材：白色，直徑1.75 mm，北京太爾時代科技有限公司。

2．2 主要設備及儀器

3D 打印機：T600 型，北京三維博特科技有限公司；

扭轉試驗機：TTM501 型，深圳三思縱橫科技股份有限公司扭轉機。

2．3 設計方案

利用三維設計軟件NX 繪制制件，制件尺寸按 照GB/T 15047–1994 相 關 規(guī) 定 制 得，長 度 為90 mm(兩端各有一個夾具，實際中間部分充電長度為63.5 mm)，寬度6.35 mm，厚度3 mm，制得的三維模型導出.stl 格式文件，使用Prusa Slicer 軟件進行數(shù)字模型的切片及打印參數(shù)的設置，使用3D打印機制備制件。選取填充密度(A)、沉積方向(B)、填充圖案(C)、分層厚度(D)為4 因素制備制件，每個因素選擇4 個水平的正交試驗方法。打印工藝的填充圖案因素如圖4 所示。因素水平表見表2。

圖4 FDM 打印填充圖案

表2 因素水平表

2．4 性能測試

制件的扭轉性能按照GB/T 10128–2007 測試，扭轉速度為1°/s。制件在扭轉過程中，隨著扭轉角度的增加，扭矩會相應增加，然后趨于平穩(wěn)，直至制件失效，扭轉角與扭矩曲線圖如圖5 所示。故制件在扭轉過程中存在最大扭矩值，以此值為研究對象來研究制件的扭轉性能。

圖5 扭轉角與扭矩曲線圖

3 結果與討論

3．1 單因素對制件扭轉性能的影響

通過控制單一變量，分別研究了填充密度、沉積方向、填充圖案及分層厚度對打印制件扭轉性能的影響。

(1)填充密度。

填充密度是指填充物所占填充空間的百分數(shù)。填充密度越大，表示填充越緊密[13]，100%填充表示是一個實心模型。在沉積方向為平放、直線填充、分層厚度0.2 mm，設置填充密度分別為25%，50%，75%，100%。圖6 為不同填充密度下打印制件的最大扭矩。

圖6 不同填充密度打印的制件的最大扭矩

由圖6 可知，打印制件最大扭矩隨填充密度的增加而增加，在填充密度25%到75%期間，最大扭矩增加緩慢，從75%到100%過程中，最大扭矩增加顯著。填充率100%時，最大扭矩達到最大。

(2)沉積方向。

沉積方向是指制件打印時擺放的方向，擺放方向不同直接影響成型質量與成型時間[14]。為獲得較好的打印質量，一般保持制件與打印平臺的最大接觸面積。在填充密度25%、直線填充、分層厚度0.2 mm，設置沉積方向為平放、側放、豎直與豎直夾角45°。圖7 為不同沉積方向打印的制件的最大扭矩。由圖7 可知，不同沉積方向的最大扭矩按從大到小的順序為：平放、側放、豎直、豎直夾角45°，隨制件與工作臺接觸面積的減小而減小。

圖7 不同沉積方向打印制件的最大扭矩

(3)填充圖案。

填充圖案的不同影響擠絲路徑。在填充密度25%、沉積方向為平放、分層厚度0.2 mm，設置填充圖案為直線、網(wǎng)格、回環(huán)與蜂窩[15]。圖8 為不同填充圖案下打印制件的最大扭矩。由圖8 可知，填充圖案為網(wǎng)格時制件的最大扭矩值最大，直線填充次之，然后是回環(huán)填充與蜂窩填充。直線填充與網(wǎng)格填充打印制件最大扭矩值相差很小。

圖8 不同填充圖案下打印制件的最大扭矩

(4)分層厚度。

分層厚度是每片分層的厚度，厚度越小，成型的制件質量越好，成型時間越長[16]。在填充密度25%、沉積方向為平放、直線填充，設置分層厚度為0.1，0.2，0.25，0.3 mm。圖9 為不同分層厚度打印制件的最大扭矩。

圖9 分層厚度打印的制件的最大扭矩

由圖9 可知，當分層厚度為0.1～0.3 mm 時，隨著分層厚度的增加，最大扭矩值是先增加后減小的趨勢，當分層厚度為0.25 mm 時，制件的最大扭矩值最大。

3．2 正交試驗設計與分析

選用L16(44)正交試驗表，共需要完成16 組試驗[17–18]，測試其扭轉強度，正交試驗結果列于表3。由表3 可知，第10 組制件試驗獲得的最大扭矩值最大，為0.675 3 N·m，而第4 組試驗獲得的制件扭轉時的最大扭矩為0.110 6 N·m。根據(jù)極差的大小可以判斷因子的影響程度，對表3 數(shù)據(jù)進行極差分析，結果列于表4。

表3 正交試驗結果表

表4 極差分析結果

由表4 可知，對于制件的最大扭矩，影響因素A，B，C，D 的 極 差 值 分 別 為0.120 8，0.291 1，0.096 8，0.171 7，結合表3 可知，4 個因素中沉積方向對制件的最大扭矩值影響最為明顯，分層厚度次之，隨后是填充密度，而填充圖案對制件的最大扭矩值影響最小。同時得到最佳工藝方案為A3B3C1D3，即填充密度75%，沉積方向為豎直，填充圖案為直線，分層厚度為0.25 mm。

3．3 最優(yōu)方案驗證

采用上述得到的最優(yōu)工藝參數(shù)打印制件，使用扭轉機測試，制件的最大扭矩為0.742 5 N·m，相比正交試驗第10 組最大扭矩值提高了10%。采用上述FDM 工藝參數(shù)打印電動剃須刀傳動軸，使用扭轉機進行測試，電動剃須刀傳動軸最大扭矩為0.73 N·m，滿足設計要求，裝配后剃須刀可正常使用。

4 結論

(1)由正交試驗結果分析可知，F(xiàn)DM 打印PLA制件最大扭矩值隨填充密度的升高而升高；隨分層厚度的增加呈現(xiàn)先升高后降低；隨制件與工作臺接觸面積的減小而減??；填充圖案為網(wǎng)格時PLA 制件具有最大扭矩值。

(2)通過正交試驗結果的極差分析，得出在試驗范圍內(nèi)，沉積方向對FDM 制造PLA 制件扭轉性能影響最為顯著，分層厚度次之，再次之是填充密度，而填充圖案對制件的最大扭矩值影響最小。

(3)采用最優(yōu)工藝參數(shù)打印制件，得到的最大扭矩值為0.742 5 N·m，相比正交試驗組合中最大扭矩值0.675 3 N·m 提高10%，扭轉性能得到增強。

(4)采用最優(yōu)工藝參數(shù)FDM 打印電動剃須刀傳動軸的最大扭矩為0.73 N·m，滿足傳遞扭矩設計值0.006 4 N·m，說明采用最優(yōu)工藝參數(shù)得到的軸類PLA 制件可替代注塑軸。

影響3D 打印過程的因素眾多，在打印過程中應盡合理設置參數(shù)，以得到扭轉性能最優(yōu)的制件。