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(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410208； 2.復(fù)雜薄壁精密零件智能柔性加工技術(shù)湖南省工程研究中心，長(zhǎng)沙 410082；3.湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421002)

增材制造(俗稱為3D 打印)是以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，將塑料或金屬等材料以逐層堆積的方式制造出實(shí)體物品的新興制造技術(shù)[1]。增材制造成型系統(tǒng)由CAD 模型直接驅(qū)動(dòng)，能將產(chǎn)品三維模型直接制造成實(shí)體零件[2]，因其具有節(jié)省材料、可成型任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)、可按需制造的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于模具、汽車、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域及日常生活中[3]。目前的主要研究集中在工藝參數(shù)對(duì)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(shù)因成型過(guò)程無(wú)污染，設(shè)備、耗材價(jià)格低廉，是目前使用最廣泛的3D 打印技術(shù)，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(shù)中應(yīng)用較多[4]。(2)隨著FDM 應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，對(duì)其性能要求越來(lái)越高，因在FDM 制造過(guò)程中，相關(guān)參數(shù)的設(shè)置直接影響成型件的質(zhì)量與強(qiáng)度，故為了獲得具有優(yōu)良力學(xué)性能的制件，很多學(xué)者對(duì)其相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，如白鶴等[5]采用5 因素4 水平正交試驗(yàn)對(duì)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(jìn)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(qiáng)度最佳的制件；鄭玲等[6]采用5 因素3 水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究了壁厚、封閉面厚度、填充率、打印速度和打印頭溫度對(duì)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(shè)定；楊露等[7]結(jié)合單因素和正交試驗(yàn)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(duì)PLA 試件拉伸強(qiáng)度的影響，并對(duì)試件拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，各參數(shù)對(duì)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(dāng)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(qiáng)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(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)法，研究了層高、填充方向、填充密度和打印速度對(duì)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(gè)因素對(duì)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(yù)制件三維模型方法，依據(jù)此方法進(jìn)行有限元仿真分析和實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，填充率對(duì)3D 打印預(yù)制件所受拉伸應(yīng)力、壓縮應(yīng)力、彎曲應(yīng)力均有較大影響，而扭轉(zhuǎn)情況下影響較小。

上述研究主要集中在工藝參數(shù)對(duì)FDM 制件拉伸性能、彎曲性能及沖擊性能的影響，但是，學(xué)者和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員對(duì)FDM 制件扭轉(zhuǎn)性能的研究甚少，多個(gè)工藝參數(shù)對(duì)FDM 制件扭轉(zhuǎn)性能的研究處于空白狀態(tài)。筆者以電動(dòng)剃須刀實(shí)際應(yīng)用情形下，制造滿足要求的塑料傳動(dòng)軸為例，采用單因素分析方法與4 因素4 水平正交試驗(yàn)方法研究單因素及多因素對(duì)FDM 制件扭轉(zhuǎn)性能的影響，以期提高制件的扭轉(zhuǎn)性能及填補(bǔ)工藝參數(shù)對(duì)FDM 制件扭轉(zhuǎn)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(yīng)用分析

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

圖1 電動(dòng)剃須刀

圖2 塑料傳動(dòng)軸

1．1 工作原理

電動(dòng)剃須刀是一種通過(guò)微型電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸帶動(dòng)內(nèi)刀片動(dòng)作，利用剪切原理，將伸進(jìn)孔中的胡須切斷。

1．2 計(jì)算

電動(dòng)剃須刀相關(guān)參數(shù)列于表1。

表1 電動(dòng)剃須刀相關(guān)參數(shù)

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

圖3 3D 打印制造剃須刀傳動(dòng)軸流程圖

2 試驗(yàn)部分

為了獲得最佳扭轉(zhuǎn)性能的FDM 工藝參數(shù)制備電動(dòng)剃須刀傳動(dòng)軸，設(shè)置試驗(yàn)。

2．1 主要原材料

PLA 線材：白色，直徑1.75 mm，北京太爾時(shí)代科技有限公司。

2．2 主要設(shè)備及儀器

3D 打印機(jī)：T600 型，北京三維博特科技有限公司；

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)：TTM501 型，深圳三思縱橫科技股份有限公司扭轉(zhuǎn)機(jī)。

2．3 設(shè)計(jì)方案

利用三維設(shè)計(jì)軟件NX 繪制制件，制件尺寸按 照GB/T 15047–1994 相 關(guān) 規(guī) 定 制 得，長(zhǎng) 度 為90 mm(兩端各有一個(gè)夾具，實(shí)際中間部分充電長(zhǎng)度為63.5 mm)，寬度6.35 mm，厚度3 mm，制得的三維模型導(dǎo)出.stl 格式文件，使用Prusa Slicer 軟件進(jìn)行數(shù)字模型的切片及打印參數(shù)的設(shè)置，使用3D打印機(jī)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(gè)因素選擇4 個(gè)水平的正交試驗(yàn)方法。打印工藝的填充圖案因素如圖4 所示。因素水平表見(jiàn)表2。

圖4 FDM 打印填充圖案

表2 因素水平表

2．4 性能測(cè)試

制件的扭轉(zhuǎn)性能按照GB/T 10128–2007 測(cè)試，扭轉(zhuǎn)速度為1°/s。制件在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中，隨著扭轉(zhuǎn)角度的增加，扭矩會(huì)相應(yīng)增加，然后趨于平穩(wěn)，直至制件失效，扭轉(zhuǎn)角與扭矩曲線圖如圖5 所示。故制件在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中存在最大扭矩值，以此值為研究對(duì)象來(lái)研究制件的扭轉(zhuǎn)性能。

圖5 扭轉(zhuǎn)角與扭矩曲線圖

3 結(jié)果與討論

3．1 單因素對(duì)制件扭轉(zhuǎn)性能的影響

通過(guò)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(duì)打印制件扭轉(zhuǎn)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?jǐn)?shù)。填充密度越大，表示填充越緊密[13]，100%填充表示是一個(gè)實(shí)心模型。在沉積方向?yàn)槠椒?、直線填充、分層厚度0.2 mm，設(shè)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(guò)程中，最大扭矩增加顯著。填充率100%時(shí)，最大扭矩達(dá)到最大。

(2)沉積方向。

沉積方向是指制件打印時(shí)擺放的方向，擺放方向不同直接影響成型質(zhì)量與成型時(shí)間[14]。為獲得較好的打印質(zhì)量，一般保持制件與打印平臺(tái)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(shè)置沉積方向?yàn)槠椒?、?cè)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?yàn)椋浩椒?、?cè)放、豎直、豎直夾角45°，隨制件與工作臺(tái)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?yàn)槠椒?、分層厚?.2 mm，設(shè)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(shí)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(zhì)量越好，成型時(shí)間越長(zhǎng)[16]。在填充密度25%、沉積方向?yàn)槠椒?、直線填充，設(shè)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(dāng)分層厚度為0.1～0.3 mm 時(shí)，隨著分層厚度的增加，最大扭矩值是先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)分層厚度為0.25 mm 時(shí)，制件的最大扭矩值最大。

3．2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

選用L16(44)正交試驗(yàn)表，共需要完成16 組試驗(yàn)[17–18]，測(cè)試其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，正交試驗(yàn)結(jié)果列于表3。由表3 可知，第10 組制件試驗(yàn)獲得的最大扭矩值最大，為0.675 3 N·m，而第4 組試驗(yàn)獲得的制件扭轉(zhuǎn)時(shí)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(duì)表3 數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，結(jié)果列于表4。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果表

表4 極差分析結(jié)果

由表4 可知，對(duì)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(jié)合表3 可知，4 個(gè)因素中沉積方向?qū)χ萍淖畲笈ぞ刂涤绊懽顬槊黠@，分層厚度次之，隨后是填充密度，而填充圖案對(duì)制件的最大扭矩值影響最小。同時(shí)得到最佳工藝方案為A3B3C1D3，即填充密度75%，沉積方向?yàn)樨Q直，填充圖案為直線，分層厚度為0.25 mm。

3．3 最優(yōu)方案驗(yàn)證

采用上述得到的最優(yōu)工藝參數(shù)打印制件，使用扭轉(zhuǎn)機(jī)測(cè)試，制件的最大扭矩為0.742 5 N·m，相比正交試驗(yàn)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(dòng)剃須刀傳動(dòng)軸，使用扭轉(zhuǎn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，電動(dòng)剃須刀傳動(dòng)軸最大扭矩為0.73 N·m，滿足設(shè)計(jì)要求，裝配后剃須刀可正常使用。

4 結(jié)論

(1)由正交試驗(yàn)結(jié)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(tái)接觸面積的減小而減小；填充圖案為網(wǎng)格時(shí)PLA 制件具有最大扭矩值。

(2)通過(guò)正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析，得出在試驗(yàn)范圍內(nèi)，沉積方向?qū)DM 制造PLA 制件扭轉(zhuǎn)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(duì)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(yàn)組合中最大扭矩值0.675 3 N·m 提高10%，扭轉(zhuǎn)性能得到增強(qiáng)。

(4)采用最優(yōu)工藝參數(shù)FDM 打印電動(dòng)剃須刀傳動(dòng)軸的最大扭矩為0.73 N·m，滿足傳遞扭矩設(shè)計(jì)值0.006 4 N·m，說(shuō)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(guò)程的因素眾多，在打印過(guò)程中應(yīng)盡合理設(shè)置參數(shù)，以得到扭轉(zhuǎn)性能最優(yōu)的制件。