過程參數(shù)對(duì)熔絲成型產(chǎn)品結(jié)合頸的影響

贠超群， 姜世杰,2， 戰(zhàn) 陽， 李常有

(1. 東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819； 2. 遼寧省機(jī)械裝備動(dòng)力學(xué)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819； 3. 遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110023)

熔絲成型(fusedfilament fabrication，F(xiàn)FF)技術(shù)因其工藝安全、操作方便、綠色環(huán)保等特點(diǎn)已成為應(yīng)用最廣泛的增材制造技術(shù)之一[1-2].目前，F(xiàn)FF產(chǎn)品在生物醫(yī)藥、航空航天、建筑、食品等工程領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，但與傳統(tǒng)加工方式相比較，F(xiàn)FF產(chǎn)品的成型質(zhì)量和機(jī)械性能明顯較差.研究表明，擠出材料絲之間的結(jié)合頸與FFF產(chǎn)品的成型質(zhì)量息息相關(guān)，結(jié)合頸越大其質(zhì)量越好[3-7]，因此如何有效增大結(jié)合頸對(duì)提高FFF產(chǎn)品的質(zhì)量有重要意義.

近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者在改善結(jié)合頸方面進(jìn)行了很多研究.Bellehumeur等[8]發(fā)現(xiàn)過程參數(shù)會(huì)對(duì)FFF過程的冷卻時(shí)間和結(jié)合頸產(chǎn)生影響，其中擠出溫度的影響尤為顯著.Gurrala等[9]將理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，研究了結(jié)合頸對(duì)FFF零件強(qiáng)度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)零件強(qiáng)度和結(jié)合頸成正比關(guān)系.Kallel等[10]通過實(shí)驗(yàn)證明隨進(jìn)料速率、擠出溫度和平臺(tái)溫度的增加，聚合物材料絲間的結(jié)合頸增加.Fan等[11]研究了連續(xù)復(fù)合纖維材料添加劑制造過程中結(jié)合頸的形成機(jī)理，并測量了擠出溫度對(duì)結(jié)合頸力學(xué)性能和尺寸的影響.結(jié)果表明提高擠出溫度，樣件的抗拉強(qiáng)度和結(jié)合頸均有所提高.Jacobs等[12]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)溫度和對(duì)流條件的變化對(duì)結(jié)合頸質(zhì)量有顯著影響.Ana等[13]認(rèn)為在一定范圍內(nèi)材料擠出率越高，空隙含量越低，結(jié)合頸越大.

上述文獻(xiàn)研究的過程參數(shù)數(shù)量較少，不具有普適性.針對(duì)擠出溫度、打印速度、填充率、打印層厚度、擠出寬度、打印方向6個(gè)關(guān)鍵過程參數(shù)對(duì)結(jié)合頸的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與理論研究，為提出改進(jìn)結(jié)合頸的新方法提供了數(shù)據(jù)支持與參考.

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 樣件制備

利用FLSUN型FFF設(shè)備制備了20 mm×20 mm×2.4 mm的方形薄板樣件，如圖1所示.樣件為聚乳酸(PLA)材料，具有硬度高、強(qiáng)度高、熔點(diǎn)低等特點(diǎn)，是增材制造中的理想材料[14-15].

圖1 樣件示意圖Fig.1 Schematic diagram of the sample

表1 樣件的具體參數(shù)Table 1 Specific parameters of the samples

1.2 結(jié)合頸測試

為確定過程參數(shù)對(duì)樣件結(jié)合頸的影響，利用如圖2所示的JT-H360-4K電子顯微鏡對(duì)樣件進(jìn)行初步測量，并選取出成型效果較好的樣件.使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日立S-4800)針對(duì)每個(gè)樣件進(jìn)行掃描電鏡分析，隨機(jī)選擇2個(gè)不同截面(垂直于纖維方向)，并完成截面中結(jié)合頸長度的測試.每種類型樣件分別獲得50組結(jié)合頸的測試數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步保證結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，以50組數(shù)據(jù)的平均值作為單個(gè)類型樣件的分析結(jié)果.

圖2 電子顯微鏡Fig.2 Electron microscope(a)—電子顯微鏡； (b)—場發(fā)射掃描電子顯微鏡.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 擠出溫度

擠出溫度是熱熔噴頭加熱材料絲至熔融狀態(tài)的溫度.在適當(dāng)溫度范圍內(nèi)，溫度越高，結(jié)合頸平均長度越大，3種不同擠出溫度下結(jié)合頸的具體數(shù)值如表2所示.

表2 不同擠出溫度下樣件結(jié)合頸測試結(jié)果Table 2 Testing results of the sample’s bonding neck with different extrusion temperatures

2.2 打印速度

3種不同打印速度下的結(jié)合頸具體數(shù)值如表3所示，可見速度越快，結(jié)合頸長度越小.

表3 不同打印速度下樣件測試結(jié)果Table 3 Sample test results under different printing speeds

2.3 填充率

填充率是材料絲在打印樣件內(nèi)部的填充程度.填充率越高結(jié)合頸長度越大.3種不同填充率下的結(jié)合頸具體數(shù)值如表4所示.

表4 不同填充率下樣件測試結(jié)果Table 4 Sample test results under different fill rates

2.4 擠出寬度

擠出寬度是指擠出的材料絲寬度.隨擠出寬度的增大，橫向結(jié)合頸增大，縱向結(jié)合頸略微減小，但總體結(jié)合頸增大.3種不同擠出寬度下的結(jié)合頸具體數(shù)值如表5所示.

表5 不同擠出寬度下樣件測試結(jié)果Table 5 Sample test results under different extrusion widths

2.5 打印層厚度

打印層厚度是擠出材料絲的厚度.打印層厚度越大，縱向結(jié)合頸越長，橫向結(jié)合頸越短，但總體的結(jié)合頸增大.3種不同打印層厚度下結(jié)合頸具體數(shù)值如表6所示.

表6 不同打印層厚度下樣件測試結(jié)果Table 6 Sample test results under different print layer thickness

2.6 打印方向

打印方向是打印樣件的纖維方向.改變打印方向結(jié)合頸長度基本不變.3種不同打印方向下結(jié)合頸的具體數(shù)值如表7所示.

表7 不同打印方向下樣件測試結(jié)果Table 7 Sample test results under different printing directions

2.7 掃描電鏡分析

圖3是表1中所列6種類型樣件截面放大130倍后的掃描電鏡圖像.通過對(duì)比可知，擠出溫度、打印速度、填充率對(duì)樣件結(jié)合頸的影響較小；擠出寬度、打印層厚度對(duì)結(jié)合頸影響較為明顯；而打印方向?qū)蛹Y(jié)合頸幾乎沒有影響.

圖3 不同類型樣件的截面掃描電鏡圖像Fig.3 Cross-sectional scanning electron microscope images of the samples of different types(a)—t190； (b)—t200； (c)—t210； (d)—v50； (e)—v60； (f)—v70； (g)—f60%； (h)—f80%； (i)—f100%； (j)—e0.2； (k)—e0.3； (l)—e0.4； (m)—l0.1； (n)—l0.15； (o)—l0.2； (p)—dZ； (q)—dX； (r)—d45.

3 理論模型

3.1 結(jié)合頸模型

由于重力影響，擠出材料絲截面呈橢圓形.分別在水平和縱向產(chǎn)生兩個(gè)結(jié)合頸.

以縱向?yàn)槔?，結(jié)合半頸y可表示為

(1)

式中：a，b分別是擠出絲橢圓截面的長半徑和短半徑；θ是瞬時(shí)半角.

結(jié)合頸瞬時(shí)半角的變化率為

(2)

式中：Γ為擠出材料絲的表面張力系數(shù)：η為材料的黏度.

將得出的瞬時(shí)半角代入式(1)，即可確定結(jié)合頸長度.類似地，也可以計(jì)算出水平方向上的結(jié)合頸.

在擠出結(jié)合過程中，結(jié)合頸并不總是增長.當(dāng)溫度低于某個(gè)臨界值時(shí)，它會(huì)停止生長.冷卻模型為

T=T∞+(T0-T∞)·e-mx.

(3)

3.2 結(jié)果分析

表8對(duì)比分析了不同類型(不同打印層厚度和擠出寬度)的FFF樣件結(jié)合頸的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果吻合度較好,誤差范圍為3%～18%，本文提出的理論模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測FFF樣件結(jié)合頸長度.

表8 理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 8 Theoretical analysis and experimental results

4 結(jié) 論

1) FFF產(chǎn)品的結(jié)合頸隨填充率、擠出寬度、打印層厚度的增加而增大，其中，增加擠出寬度，縱向結(jié)合頸略有減小，但總體結(jié)合頸增大；增加打印層厚度，橫向結(jié)合頸略有減小，總體結(jié)合頸增大；在190～210 ℃范圍內(nèi)，擠出溫度越高，結(jié)合頸越大；在60～80 mm/s內(nèi)，結(jié)合頸隨打印速度的降低而增大；打印方向?qū)Y(jié)合頸幾乎無影響.

2) 通過掃描電鏡可知，擠出寬度、打印層厚度對(duì)結(jié)合頸影響明顯；擠出溫度、打印速度、填充率及打印方向?qū)蛹Y(jié)合頸的影響較小.從微觀角度很好地驗(yàn)證了結(jié)論1)的正確性.

3) FFF樣件結(jié)合頸越大，結(jié)合質(zhì)量越好，即成型質(zhì)量越好.

4) 本文建立的FFF樣件結(jié)合頸理論模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測樣件中結(jié)合頸的長度.