FDM工藝參數(shù)優(yōu)化及其對抗拉強(qiáng)度的影響探究

秦 鵬，靳國寶，胡金兵，何 康，王瑩月

(巢湖學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 238000)

從20世紀(jì)末至今，3D打印已經(jīng)在工業(yè)界得到了廣泛的應(yīng)用。作為3D打印領(lǐng)域的代表，F(xiàn)DM(Fused Deposition Modeling，熔融沉積成型)[1]原理如圖1所示。通過對三維零件進(jìn)行切片，得到各個(gè)橫切面輪廓和加工路徑數(shù)據(jù)的Gcode代碼文件，高溫噴頭根據(jù)Gcode文件在X-Y平面沿指定路徑將擠出機(jī)不斷送入的熔融絲材堆積，形成工件的一層截面。一層成型后，沿Z軸方向噴頭上移(或平臺(tái)下移)一層高度，重新沿路徑堆積熔融絲材,并通過重熔粘接的方式使其層間結(jié)合，循環(huán)上述過程，最終成型為三維零件。FDM具有成型設(shè)備簡單，成本低廉和成型速度快等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為3D打印領(lǐng)域發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的加工方法之一，并逐漸開發(fā)出適合“私人訂制”的小型桌面級設(shè)備，如圖2所示。

PLA(Polylactic acid，聚乳酸)熱穩(wěn)定性較好，具有良好的抗拉強(qiáng)度及延展度，可以在170～230℃范圍內(nèi)通過熔融擠出的方式進(jìn)行成型，并且產(chǎn)品可以完全降解，實(shí)現(xiàn)“綠色制造”[2]，因此進(jìn)行FDM打印時(shí)常使用PLA絲材。PLA絲材在FDM打印過程中，要經(jīng)歷從固相到熔融相，最后再緩慢結(jié)晶成固相的變化過程以及伴隨整個(gè)過程的熱收縮等原因，導(dǎo)致成型制件的力學(xué)性能往往會(huì)比原絲材差。

1-料盤；2-PLA絲材；3-擠出機(jī)；4-打印噴頭；5-熱床；6-成型制件圖1 FDM成型原理圖

圖2 Anycubic i3 MEGA型FDM打印機(jī)

目前對FDM的研究主要集中于提高成型件表面質(zhì)量[3-4]和改善設(shè)備結(jié)構(gòu)[5]等方面，如童和平[6]等人對FDM打印模型的表面質(zhì)量進(jìn)行了研究，提出改善模型表面“階梯”效應(yīng)的措施和方法；鄺東海[7]等人通過探究FDM成型方向與成型輪廓的變化規(guī)律和影響因素，分析了小尺寸FDM產(chǎn)品成型缺陷的原因；魏士皓[8]使用ANSYS模擬FDM的成型應(yīng)力圖和溫度場分布，得到翹曲程度最小對應(yīng)的工藝參數(shù)。而工藝參數(shù)對成型制件的力學(xué)性能，尤其是抗拉強(qiáng)度的研究較少?；谏鲜銮闆r，本文采用正交試驗(yàn)作為研究方法，以抗拉強(qiáng)度作為衡量指標(biāo)，得出當(dāng)前試驗(yàn)條件下FDM的最佳工藝參數(shù)。由于正交試驗(yàn)法每組參數(shù)變動(dòng)較大，并且為了避免試驗(yàn)過程中出現(xiàn)某個(gè)參數(shù)對成型質(zhì)量限定的“木桶效應(yīng)”，在最佳工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用單一變量法，結(jié)合成型過程中的溫度場和應(yīng)力場分布，逐個(gè)探討單一參數(shù)對于試樣抗拉強(qiáng)度的影響并分析原因，以期能為FDM技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供參考與幫助，促進(jìn)該工藝能得到進(jìn)一步的發(fā)展。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備及材料

FDM打印機(jī):Anycubic i3-MEGA型桌面級FDM成型設(shè)備，成型尺寸為210mm×210mm×205mm，XY軸的定位精度為0.0125mm，Z軸的定位精度為0.002mm，如圖2所示。

抗拉強(qiáng)度測試設(shè)備：新三思CMT-5105萬能試驗(yàn)機(jī)，如圖3所示。

試驗(yàn)材料：PLA絲材，線徑1.75mm，打印溫度190～220℃。

圖3 新三思CMT-5105萬能試驗(yàn)機(jī)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響FDM打印成型制件抗拉強(qiáng)度的因素較多，本文主要考慮以下四個(gè)工藝參數(shù)：

(1)層高：三維模型進(jìn)行分層切片時(shí)層間的距離。

(2)打印速度：噴頭沿輪廓路徑和填充路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度。

(3)噴頭擠出溫度：FDM系統(tǒng)工作時(shí)噴頭被加熱到的溫度。

(4)熱床溫度：FDM系統(tǒng)工作時(shí)制件底部的溫度。

需要說明的是，除以上參數(shù)外，其余參數(shù)均采用默認(rèn)值，如填充率設(shè)置為100%，成型角度選擇±45°等。

1.2.1 試樣制備

標(biāo)準(zhǔn)試樣規(guī)格按《GB/T1040.2-2006塑料拉伸性能的測定》制備，因試驗(yàn)條件限制，選擇5A型，總長度L2=75mm，端部寬度b2=10mm，窄部分寬度b1=5mm，厚度h=2mm，標(biāo)距L0=25mm，夾具間的初始距離為58mm，拉伸試驗(yàn)速率為1mm/min。

先通過三維建模軟件Solidworks完成標(biāo)準(zhǔn)試樣的立體建模，并保存為STL格式文件，導(dǎo)入切片軟件Cura中，設(shè)置工藝參數(shù)，進(jìn)行分層切片處理，生成Gcode文件，F(xiàn)DM打印機(jī)執(zhí)行Gcode文件制成拉伸試驗(yàn)樣品，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)去除底部飛邊和毛刺，切片圖及實(shí)物如圖4所示。

圖4 (a)5A型拉伸試樣切片圖及(b)成型實(shí)物

1.2.2 正交試驗(yàn)

四個(gè)工藝參數(shù)，每個(gè)參數(shù)可取值為4個(gè)，若采用全面試驗(yàn)法，則需要4×4×4×4，共計(jì)256組試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)繁多，為了高效快速地獲得最佳工藝參數(shù)組合，本文采用四因素四水平L16(44)的正交試驗(yàn)表，各組試驗(yàn)序號及對應(yīng)的工藝參數(shù)取值如表1所示。

表1 PLA材料的FDM成型工藝參數(shù)正交試驗(yàn)表

為了減少試驗(yàn)中的偶然誤差，每組試驗(yàn)組合重復(fù)測試5個(gè)樣品，采用方差分析法確定層高、打印速度、噴頭擠出溫度和熱床溫度等四個(gè)工藝參數(shù)對抗拉強(qiáng)度影響的主次順序，極差越大，表明該因素的水平變化對抗拉強(qiáng)度的影響越大。結(jié)果如表2所示，各工藝參數(shù)影響的主次順序?yàn)椋捍蛴∷俣?熱床溫度>層高>擠出溫度，各工藝參數(shù)對抗拉強(qiáng)度的影響均為顯著影響。最佳工藝參數(shù)組合為層高0.10mm，打印速度30mm/s，噴頭擠出溫度200℃，熱床溫度60℃，PLA試樣的平均抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到49.85MPa。

表2 FDM成型工藝參數(shù)正交試驗(yàn)方差分析表

1.2.3 單一變量試驗(yàn)

在正交試驗(yàn)確定最佳工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，每組只變動(dòng)一個(gè)工藝參數(shù)，同樣地，為了避免試驗(yàn)中出現(xiàn)較大的試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)重復(fù)測量5次，各組實(shí)驗(yàn)序號及對應(yīng)的工藝參數(shù)取值如表3所示，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 PLA材料的FDM成型工藝參數(shù)單一變量試驗(yàn)表

表4 FDM成型工藝參數(shù)單一變量試驗(yàn)結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)測得PLA試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖5所示。在整個(gè)拉伸過程中，從原點(diǎn)到A點(diǎn)為彈性變形階段，A點(diǎn)為彈性變形階段的終點(diǎn)，從A點(diǎn)到C點(diǎn)為彈塑性變形階段，其中B點(diǎn)為屈服點(diǎn)，從B點(diǎn)開始有一個(gè)較小的應(yīng)變軟化階段，隨應(yīng)力增加出現(xiàn)“取向硬化”現(xiàn)象，直至到達(dá)應(yīng)力最大處C點(diǎn)，而后試樣截面變得不均勻，出現(xiàn)“細(xì)頸”直至試樣斷裂點(diǎn)D。

圖5 PLA材質(zhì)試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6 PLA材質(zhì)拉伸試樣斷面顯微圖像(×70)

圖6為放大70倍的拉伸試樣斷面顯微圖像，可以看到斷面上有明顯的絲材堆積痕跡，并且存在未能填充完全的孔洞，以及“銀紋”和應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象，表現(xiàn)為中間區(qū)域和兩側(cè)的顏色明顯不同。試樣呈現(xiàn)韌性斷裂，這一點(diǎn)從應(yīng)力—應(yīng)變曲線上出現(xiàn)的“屈服”現(xiàn)象也可以得到驗(yàn)證。

2.2 溫度場與應(yīng)力場模擬

為了更直觀的定性分析，將拉伸試樣近似為60mm×20mm×2mm的長方體，采用高斯移動(dòng)熱源模擬噴頭的熱量輸入，經(jīng)過ANSYS Workbench計(jì)算分析和求解，可以得到FDM打印過程的溫度分布云圖。圖7為最佳工藝參數(shù)組合作用下t=1s噴頭作用中心的溫度場分布。可以看出，噴頭位置的溫度梯度較大，已成型部分會(huì)通過對流、輻射和傳導(dǎo)三種方式散熱，溫度下降到穩(wěn)定值。其中，熱源中心作用區(qū)域主要通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行散熱，溫度下降較慢，而面積較大的側(cè)面則依靠和空氣的熱對流進(jìn)行散熱，溫度降低較快。

圖7 FDM熱源中心附近溫度場分布云圖

圖8 FDM打印完成后的應(yīng)力場分布

在高溫噴頭沿指定路徑往復(fù)移動(dòng)的作用下，試樣內(nèi)部的應(yīng)力并不相等。圖8為熱力耦合對應(yīng)的應(yīng)力場分布，可以看到應(yīng)力最大值已經(jīng)超過了材料的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致材料內(nèi)部并不連續(xù)，因此PLA試樣的抗拉強(qiáng)度會(huì)低于原材料。

2.3 工藝參數(shù)的影響

結(jié)合本次試驗(yàn)，具體考察單個(gè)工藝參數(shù)對于抗拉強(qiáng)度的影響時(shí)，需將其作為橫坐標(biāo)，表4中對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度均值為縱坐標(biāo)，在直角坐標(biāo)系做出PLA試樣抗拉強(qiáng)度均值隨工藝參數(shù)變化時(shí)的曲線。

圖9 打印速度對抗拉強(qiáng)度的水平影響趨勢圖

圖10 (a)打印速度30mm/s和(b)打印速度90mm/s的應(yīng)力分布圖

圖9為打印速度對抗拉強(qiáng)度的水平影響趨勢圖，當(dāng)打印速度在30mm/s～90mm/s區(qū)間時(shí)，隨著打印速度的增加，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢。打印速度為30mm/s時(shí)，抗拉強(qiáng)度均值最大，為49.85MPa。分析其原因，隨著打印速度的增加，熔融絲材的堆積時(shí)間減少，在擠出絲材量一定時(shí)，增加熔融材料向前的慣性，使材料內(nèi)部的應(yīng)力更大。圖10為對比打印速度30mm/s和90mm/s的應(yīng)力分布云圖，可以看出，打印速度90mm/s的內(nèi)應(yīng)力明顯大于打印速度30mm/s的內(nèi)應(yīng)力。同時(shí)由于冷卻速度較快，當(dāng)噴頭加工下一個(gè)層面時(shí)，對已加工部分的再加熱時(shí)間縮短，層間的重融粘接區(qū)域縮小，整個(gè)結(jié)構(gòu)的層間結(jié)合強(qiáng)度下降，使其抗拉強(qiáng)度降低。

圖11為層高對抗拉強(qiáng)度的水平影響趨勢圖。結(jié)果表明，當(dāng)層高在0.10mm～0.25mm之內(nèi)變動(dòng)時(shí)，層高設(shè)置過大會(huì)使抗拉強(qiáng)度降低，層高為0.10mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度取得最大值。圖12為層高0.1mm和0.25mm溫度場分布的對比圖，可以看到層高0.1mm的熱影響區(qū)深度大于層高0.25mm的熱影響區(qū)深度。較小的層高使得完成相同高度的工件所需層數(shù)增加，噴頭加工下一個(gè)層面時(shí)，距離已加工表面更近，對成型部分的熱作用更大，層間重融次數(shù)和區(qū)域增加，進(jìn)一步降低內(nèi)部空洞間隙。而過大的層高會(huì)使整體結(jié)構(gòu)層間連接強(qiáng)度不足，結(jié)構(gòu)松散，減小試樣所能承受的拉力，宏觀表現(xiàn)為力學(xué)性能下降。

圖11 層高對抗拉強(qiáng)度的水平影響趨勢圖

圖12 (a)層高0.10mm和(b)層高0.25mm的溫度場分布圖

圖13為噴頭擠出溫度對抗拉強(qiáng)度的水平影響趨勢圖，可以看到，當(dāng)噴頭擠出溫度偏離200℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度都會(huì)降低。這是因?yàn)楫?dāng)噴頭擠出溫度較低時(shí)，PLA絲材融化程度不夠，輸入的熱量較少，層間重融程度不足，會(huì)降低層間的粘結(jié)強(qiáng)度，而噴頭擠出溫度超過200℃，輸入熱量增大，絲材被加熱的溫度過高，會(huì)發(fā)生過燒現(xiàn)象，破壞了材料本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低其力學(xué)性能。

圖14為熱床溫度對抗拉強(qiáng)度的水平影響趨勢圖，從圖中可知，隨著熱床溫度的升高，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先降后增的趨勢。與層高類似，從熱床溫度的水平影響趨勢圖中不難預(yù)測，當(dāng)熱床溫度進(jìn)一步提高時(shí)，PLA試樣的抗拉強(qiáng)度可能會(huì)得到進(jìn)一步提升。受到當(dāng)前設(shè)備條件限制，當(dāng)熱床溫度為60℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度最高，為49.85MPa。這主要是PLA試樣本身厚度較小，熱床溫度較低時(shí)，擠出的絲材從噴頭的高溫驟冷至較低的熱床溫度，熔融狀態(tài)的PLA絲材內(nèi)部收縮比較劇烈，存在較大的內(nèi)應(yīng)力；隨著熱床溫度的上升，對試樣的加熱作用明顯，噴頭與熱床之間的溫度差減小，驟冷現(xiàn)象得到改善，試樣內(nèi)應(yīng)力降低，表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度的提高。此外，需要注意到熱床的加熱范圍和作用有限，在實(shí)際應(yīng)用中，熱床溫度主要是起固定制件的作用，只需保證在打印過程中模型不發(fā)生竄動(dòng)即可。

圖13 噴頭擠出溫度對抗拉強(qiáng)度的水平影響趨勢圖

圖14 熱床溫度對抗拉強(qiáng)度的水平影響趨勢圖

3 結(jié)論

(1)通過正交試驗(yàn)可知，打印速度、層高、噴頭擠出溫度和熱床溫度對抗拉強(qiáng)度均有顯著影響，結(jié)合極差分析可以得出，相比打印速度而言，打印層高的影響較小，在實(shí)際生產(chǎn)中可以選擇稍高的打印層高以提高效率。以抗拉強(qiáng)度作為衡量指標(biāo)，在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，最佳工藝參數(shù)組合為層高0.10mm，打印速度30mm/s，噴頭擠出溫度200℃，熱床溫度60℃，可達(dá)到的抗拉強(qiáng)度為49.85MPa.

(2)PLA試樣截面仍然存在微小的空洞，通過拉伸試驗(yàn)可以看出，在斷裂之前，其經(jīng)歷了彈性變形、彈塑性變形和屈服階段，達(dá)到應(yīng)力最大值后出現(xiàn)“細(xì)頸”，發(fā)生韌性斷裂，并在斷面處出現(xiàn)“銀紋”和應(yīng)力發(fā)白的現(xiàn)象。

(3)采用高斯移動(dòng)熱源加載模擬FDM過程，可以得到溫度場與應(yīng)力場分布。從結(jié)果可以看出，溫度分布的不均勻會(huì)導(dǎo)致制件內(nèi)部存在超過抗拉強(qiáng)度的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致制件的抗拉強(qiáng)度低于原絲材。

(4)不同工藝參數(shù)對抗拉強(qiáng)度影響的原因不同。較低的層高和打印速度會(huì)改善層與層之間的重熔粘結(jié)情況，較高的噴頭擠出溫度則會(huì)保證PLA絲材的融化程度，適當(dāng)?shù)臒岽矞囟葎t會(huì)減弱制件成型中的驟冷情況，使其內(nèi)應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，最終都會(huì)使抗拉強(qiáng)度得到提高。