FDM 3D打印工藝參數(shù)對(duì)PLA制件力學(xué)性能的影響

白鶴，蘇亞輝，王核心，劉亞明，何石磊，張振庚

(1.寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電信息學(xué)院，陜西寶雞 721013； 2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司鋼管研究院，陜西寶雞 721008；3.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞 721008； 4.北京三維博特科技有限公司，北京 100085)

3D打印技術(shù)又可稱為快速成型技術(shù)或增材制造技術(shù)，其是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，使用絲狀材料、液態(tài)材料或粉末狀材料，采用逐層累加的方式加工制造任何復(fù)雜形狀、結(jié)構(gòu)物體的技術(shù)[1–5]。該技術(shù)不僅可加工各種形狀復(fù)雜的工件，同時(shí)還可大幅降低生產(chǎn)過(guò)程中的材料損耗[6–7]。隨著我國(guó)加工制造水平的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)已成為了目前最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一[8]。

FDM (熔融沉積)成型技術(shù)是目前使用最為廣泛的3D打印技術(shù)之一，其憑借簡(jiǎn)潔的操作、低廉的成本和無(wú)毒環(huán)保等特點(diǎn)，迅速獲得了各行各業(yè)的青睞，而具有良好生物降解性的聚乳酸(PLA)材料，則成為了FDM工藝中使用比例最高的材料之一[9–13]。隨著3D打印成型產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，人們對(duì)其性能要求越來(lái)越高，成型產(chǎn)品性能與材料、工藝之間的關(guān)系便成為了工程技術(shù)人員研究的重要課題。

筆者采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用FDM工藝打印PLA試樣，研究了打印層厚、填充密度、打印溫度、填充速度以及外殼厚度等工藝參數(shù)對(duì)試樣力學(xué)性能的影響，同時(shí)利用回歸分析，擬合得出了多元回歸方程，并用試驗(yàn)對(duì)方程可靠性加以驗(yàn)證，為FDM 3D打印制件性能提升和工藝的優(yōu)化提供了參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

PLA：絲狀耗材，直徑1.75 mm，北京三維博特(CANVBOT)科技有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

3D打印機(jī)：CANVBOT T800–II型，北京三維博特科技有限公司；

萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：AGS–X10KN型，日本島津公司。

1.3 試樣制備

拉 伸 試 樣 按 照GB／T 1040.2–2006標(biāo) 準(zhǔn) 要求進(jìn)行制樣，具體尺寸如圖1所示，其中試樣總長(zhǎng)L3=150 mm，寬平行部分距離L2=110 mm，半徑R=25 mm[14]。利用三維建模軟件完成試樣電子模型繪制，保存成STL格式文件后導(dǎo)出，隨后使用Cura軟件進(jìn)行數(shù)字模型的切片和打印參數(shù)的設(shè)置，其中打印頭直徑0.4 mm，熱床溫度50℃，填充角度45°，試樣擺放取向?yàn)榇竺嫠椒胖肹15]。打印層厚、填充密度、打印溫度、填充速度以及外殼厚度按照五因素四水平的正交試驗(yàn)方法進(jìn)行設(shè)定，具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。根據(jù)五因素四水平正交試驗(yàn)和GB／T 1040.2–2006標(biāo)準(zhǔn)要求，本次試驗(yàn)共制作16組試樣，每組包含5個(gè)平行試樣。

圖1 拉伸試樣形狀尺寸及截面局部放大圖

表1 因素水平表

1.4 性能測(cè)試

按照GB／T 1040.2–2006標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行16組試樣拉伸性能測(cè)試，其中試驗(yàn)速度為5 mm／min，引伸計(jì)標(biāo)距為50 mm[16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

為避免試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)完成5個(gè)平行試樣的力學(xué)性能測(cè)試后取平均值，記為該因素水平下試樣的力學(xué)性能，其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，11#試驗(yàn)獲得材料拉伸強(qiáng)度最高，為31.22 MPa，而9#試驗(yàn)獲得的材料拉伸強(qiáng)度最差，為22.46 MPa。

2.2 極差分析

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 極差分析結(jié)果

由表3可知，對(duì)于制件拉伸強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，影響因素A，B，C，D，E的極差值分別為1.33，2.24，1.03，1.27，7.02，結(jié)合圖2可知，五個(gè)影響因素中外殼厚度(E)對(duì)制件的拉伸強(qiáng)度影響最為明顯，填充密度(B)次之，隨后是打印層厚(A)和填充速度(D)的影響，而打印溫度(C)對(duì)制件拉伸性能影響較小，同時(shí)得到最佳工藝方案為A2B4C1D3E4。

圖2 各因素不同水平時(shí)制件的拉伸強(qiáng)度

2.3 回歸分析

為進(jìn)一步給PLA FDM 3D打印制件的生產(chǎn)制造提供參考，利用專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)本次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析并構(gòu)造多元回歸方程，具體方程結(jié)構(gòu)形式如下：

其中β0和β1，β2，β3，β4，β5分別為常數(shù)項(xiàng)和各自變量(X1，X2，X3，X4，X5)的偏回歸系數(shù)。根據(jù)最小二乘法原理，引入向量和矩陣，構(gòu)建正規(guī)方程組的矩陣形式。

通過(guò)求解矩陣方程(2)得到β=(XTX)-1XTY，本次試驗(yàn)中m=5，n=16。

隨后經(jīng)回歸分析，得到方程的常數(shù)項(xiàng)、偏回歸系數(shù)值、偏回歸系數(shù)置信區(qū)間以及檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，具體分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 回歸模型計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表4所得的數(shù)據(jù)，得到以下回歸方程：

根據(jù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量計(jì)算結(jié)果，其中相關(guān)系數(shù)平方R2=0.95，F(xiàn)=38.71＞F0.05(α按照常規(guī)取值，取0.05)，P=0＜α=0.05，S2=0.70，均可說(shuō)明方程擬合程度較好，回歸效果理想。

2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的可靠性，任意選擇了三種打印工藝的試樣進(jìn)行驗(yàn)證，每種工藝試樣取五個(gè)平行樣，并計(jì)算出平均值記為該工藝下試樣的拉伸強(qiáng)度。具體工藝參數(shù)、試驗(yàn)結(jié)果及預(yù)測(cè)分析見(jiàn)表5。從驗(yàn)證結(jié)果可以看出，任意選擇的三種工藝所獲得的試樣拉伸強(qiáng)度σm分別為33.04，29.73，20.57 MPa，通過(guò)回歸方程預(yù)測(cè)的試樣拉伸強(qiáng)度值分別為31.42，28.56，19.78 MPa，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果誤差分別為4.9%，3.9%，3.8%，誤差數(shù)值非常小，表明通過(guò)正交試驗(yàn)和回歸分析建立的回歸方程具有較高的重復(fù)性，擬合得到的數(shù)學(xué)模型可靠。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.5 討論

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，可知打印層厚、填充密度、打印溫度、填充速度以及外殼厚度五個(gè)影響因素中，外殼的厚度對(duì)PLA制件的拉伸強(qiáng)度影響最為顯著，其主要原因是試樣在成型時(shí)選擇大面水平的擺放取向，F(xiàn)DM打印過(guò)程中，外殼的成型是絲材沿著拉伸載荷的方向進(jìn)行沉積的，在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，分子之間本身的斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)大于層間的粘結(jié)強(qiáng)度，因此外殼厚度越大，抵抗拉伸載荷的分子越多，拉伸強(qiáng)度提高[17]。填充密度、打印層厚和填充速度對(duì)制件拉伸強(qiáng)度也有一定影響，從圖2中可以看出，填充密度越高，制件拉伸強(qiáng)度越高，填充密度的增加會(huì)提高制件打印的填充程度，從而拉伸強(qiáng)度隨之提升，但提升填充密度會(huì)降低加工效率，因此應(yīng)按照制件要求選擇合理的填充密度。打印層厚對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響基本呈先升高后降低的趨勢(shì)，層厚的增加會(huì)使單片固化層縱向拉伸能力提升，但層厚超過(guò)一定厚度之后會(huì)使固化層層間粘結(jié)面積減小，從而使拉伸強(qiáng)度降低。當(dāng)采用較低的填充速度(40，50 mm／s等)時(shí)，制件拉伸強(qiáng)度基本變化不大，而填充速度超過(guò)一定值時(shí)，制件拉伸強(qiáng)度有所降低，其主要是由于過(guò)快的填充速度使得制件在成型過(guò)程中產(chǎn)生空洞、凹坑，而層與層之間的粘結(jié)強(qiáng)度也會(huì)減弱，從而影響制件拉伸強(qiáng)度。

3 結(jié)論

(1)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)，外殼厚度對(duì)PLA FDM制件力學(xué)性能最為顯著，填充密度、打印層厚和填充速度對(duì)制件拉伸強(qiáng)度也有一定影響，而打印溫度對(duì)制件拉伸強(qiáng)度影響較小。

(2)由正交試驗(yàn)結(jié)果分析可知，PLA FDM打印制件拉伸強(qiáng)度隨外殼厚度和填充密度的升高而升高；隨打印層厚和填充速度的升高呈現(xiàn)先升高后降低；隨打印溫度的升高基本保持不變。

(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得到獲得最佳力學(xué)性能PLA FDM打印制件的工藝組合為A2B4C1D3E4，即打印層厚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。

(4)采用正交試驗(yàn)和回歸分析，擬合得到了PLA FDM打印制件力學(xué)性能與打印參數(shù)之間的數(shù)學(xué)回歸方程，并用試驗(yàn)對(duì)方程可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明方程具有較高的重復(fù)性，可靠性良好。