振動利用對FDM薄板機械性能的影響研究

姜世杰，SIYAJEU Yannick，孫寧寧，李 鶴，聞邦椿

(東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110819)

現(xiàn)如今，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期是工業(yè)領(lǐng)域提升市場競爭力的主要考慮因素之一，而且關(guān)注的焦點已經(jīng)從傳統(tǒng)加工技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖偕a(chǎn)制造技術(shù)，如3D打印技術(shù)[1]。3D打印技術(shù)是一種新興發(fā)展的通過將材料層層累加堆積成型的制造技術(shù)。其中，熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)技術(shù)，具有成本低廉、原材料范圍廣、環(huán)境污染小以及后處理簡單等優(yōu)勢，是目前應(yīng)用最為廣泛的3D打印技術(shù)之一。其工作原理是將絲狀原材料送入熱熔噴頭中加熱熔化，然后噴頭沿三維模型設(shè)計的截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔融狀態(tài)的材料擠出到指定位置迅速凝固，并與周圍的材料黏結(jié)，逐層累加最終堆積成實體的模型或零件[2]，如圖1所示。

然而，由于材料逐層累加的制造工藝所導(dǎo)致的氣孔、夾雜、無層間壓力等缺陷，致使FDM 3D打印零件的機械性能很難與傳統(tǒng)加工工件相媲美，嚴(yán)重阻礙了FDM技術(shù)的發(fā)展，因此，提高FDM產(chǎn)品的機械強度是FDM 3D打印技術(shù)的關(guān)鍵發(fā)展方向之一。

在過去幾年里，研究人員為解決該問題進(jìn)行了大量的研究與探索。Boparai等[3-5]研究發(fā)現(xiàn)在聚合物纖維中混入具有較高機械強度的材料如陶瓷、玻璃纖維、碳纖維等，能夠有效提高FDM成品的力學(xué)性能和熱性能，并且添加劑的配比和顆粒大小對其有著顯著的影響。然而，由于不同的材料具有不同的熱性能和冷卻速度，需要限制混合材料的比例，進(jìn)而限制了產(chǎn)品強度的提高。另外，混合材料后難以保證材料絲的均勻性，且成本較高。Decuir等[6]發(fā)現(xiàn)填充率和打印方向?qū)廴樗?PLA)FDM薄板的機械強度起著決定性的作用，而且減少孔隙和提高表面黏度可以提高機械強度，但具體機理尚未明確。

圖1 FDM示意圖Fig.1 The schematic of FDM process

Griffiths等[7-12]發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化如打印層厚度、噴嘴直徑、打印速度、路徑寬度、填充方式、加熱溫度、輪廓線數(shù)量、網(wǎng)格間隙、寬度和角度等FDM工藝參數(shù)可以提高FDM零件的機械性能。然而，這些過程參數(shù)數(shù)目過多，難以進(jìn)行全局優(yōu)化，且優(yōu)化效果非常有限。Narahara等[13]利用大氣壓等離子體對FDM 3D打印層進(jìn)行了親水處理，拉伸結(jié)果表明零件的層間結(jié)合強度提高明顯(將近15%)，進(jìn)而提高了零件的機械性能。然而該方法成本高昂、能耗較高同時會增加零件的表面粗糙度，不利于推廣應(yīng)用。Stava等[14]開發(fā)了一個能自動檢測CAD模型中薄弱環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，通過局部增厚、添加支撐和減輕重量的方式使修改模型后的產(chǎn)品強度得到了明顯提高，但這種方法大大改變了原有模型的外觀，局限性較大。

本文首次提出了利用振動提高FDM薄板的機械性能，并實驗研究了振動(施加于3D打印噴頭處)對FDM薄板抗拉強度和正交各向異性的影響。第1節(jié)介紹了振動式FDM設(shè)備；第2節(jié)介紹了試件的制備和相應(yīng)的測量方法；第3節(jié)完成了結(jié)果的分析和討論，最后得出本文的結(jié)論。

1 振動式FDM設(shè)備

在3D打印領(lǐng)域，F(xiàn)oroozmehr等[15]率先利用振動進(jìn)行了加工，如圖2所示，其利用高功率激光系統(tǒng)、五軸數(shù)控加工中心、材料粉末輸送系統(tǒng)、電磁激振器等設(shè)備組建了振動式的激光粉末沉積(LPD)3D打印機，其中激振器與工作平臺相連接以控制其振動的幅度、頻率以及方向。研究發(fā)現(xiàn)利用振動可以有效減少LPD 3D打印零件內(nèi)部孔洞缺陷的數(shù)量和尺寸(最高可達(dá)80%)，進(jìn)而有效提高零件的機械強度和彈塑性能(延展性)；此外，用此方法獲得的零件內(nèi)部組織更加細(xì)致，其結(jié)構(gòu)硬度分布也更加均勻。

(b)結(jié)構(gòu)示意圖

基于相似的概念，在FDM 3D打印機熱熔噴頭處施加振動激勵在改進(jìn)成品的機械性能方面有很大的潛力。然而，目前還鮮有學(xué)者提出類似的概念，相應(yīng)的一系列問題，如引入的振動對FDM薄板的抗拉強度和正交各向異性的影響等更是沒有學(xué)者進(jìn)行研究和探索。為了明確這一問題，本文將直流振動電機(如圖3(a)所示)固定在3D打印噴頭處(如圖3(b)和(c)所示)，并與直流電源相連，輸入電壓為2 V。

由此引起打印噴頭產(chǎn)生豎直向下的簡諧振動，即垂直于打印平臺，如圖4所示。

可以用以下公式表達(dá)

x=Asin(ωt+α)

(1)

式中：x是加速度；A是振幅，A=0.35g；ω是圓頻率，ω=200π；t是時間，α是初相，α=0。

2 拉伸試驗研究

2.1 試件準(zhǔn)備

本文利用振動式FDM 3D打印機制備了外形結(jié)構(gòu)如圖5所示的拉伸試驗試件(Z和X方向分別打印)，其長度為150 mm，測試寬度為10 mm，厚度為2 mm。

圖4 打印噴頭的振動Fig.4 The vibration of the 3D printer head

圖5 試件的二維示意圖Fig.5 Two-dimensional drawing of the specimen

試件材料為聚乳酸(PLA)，一種新型的生物基及可再生生物降解材料，使用可再生的植物資源所提出的淀粉原料制成，是公認(rèn)的環(huán)境友好材料。

在總計加工的20個試件中，纖維方向是橫向的有10個試件(與拉伸方向垂直，Z方向打印)，其中5個為普通3D打印試件，另外5個試件則在打印加工過程中利用了振動；其余10個試件的纖維方向是縱向的(與拉伸方向平行，X方向打印)，其中5個為普通3D打印試件，另外5個試件同樣利用了振動加工制成，如表1所示。需要注意的是，除了打印方向和施加振動與否外，打印機其他所有的設(shè)置都是相同的，如打印層厚度、噴嘴直徑、打印速度、路徑寬度等等。

表1 利用振動與未利用振動加工的試件列表Tab.1 Specimens with and without applied vibration

2.2 試驗方法

根據(jù)ASTM D638標(biāo)準(zhǔn)，利用拉伸試驗機(型號：SHIMADZU EHF-EV200K2-040)完成了全部20個試件的拉伸實驗。該設(shè)備的測量精度為±0.5%，最大負(fù)載力為200 kN。試驗過程中的加載速率設(shè)置為5 mm/min，測試過程如圖5所示。由于PLA材料的機械性能比鋼鐵等金屬材料小的多，為避免試件的兩端夾緊力過大而導(dǎo)致試件的破損，影響測量結(jié)果，兩端的夾持力僅設(shè)置為5 MPa。

圖5 拉伸實驗設(shè)備(液壓伺服)和試件Fig.5 Tensile test machine (servo-hydraulic)and the specimen

測得的應(yīng)力σ和應(yīng)變ε的公式分別為

σ=F/A

(2)

式中，F(xiàn)為施加在試件上的力，A為試件的橫截面積。

ε=δ/L

(3)

式中，δ為沿著拉伸方向的伸長量，L為試件的原始長度。

3 實驗結(jié)果

3.1 Z方向試件

如上所述，10個Z方向打印的試件中，5個為普通打印試件，即未利用振動進(jìn)行加工；另外5個則為利用振動進(jìn)行打印的試件。圖6(a)和(b)是拉伸實驗后所對應(yīng)的試件狀態(tài)圖，由斷裂結(jié)果可知所有試件均從中間部分?jǐn)嗔眩瑴y試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

圖7繪制了Z方向試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，總體上來說，利用振動加工的試件比普通試件的抗拉強度和穩(wěn)定性更好，且應(yīng)變數(shù)值更大，即利用振動制成的試件彈塑性(或延展性)也更強。

(a)

(b)

(a)未利用振動

(b)利用振動

從圖7可知，普通試件(未利用振動)抗拉強度最大值為21.57 MPa,最小值為11.71 MPa，平均值為16.5 MPa，數(shù)值差異很大，抗拉強度的穩(wěn)定性很差；而利用振動的試件抗拉強度最大值為33.05 MPa,最小值為31.56 MPa,平均值為32.3 MPa，強度近乎提升1倍，改善效果明顯；并且數(shù)值一致性較好，抗拉強度更穩(wěn)定。在極限應(yīng)變方面，可以看出普通試件應(yīng)變的最大值僅為1.3%，最小值為0.7%，平均值為1.04%；而利用振動加工的試件應(yīng)變的最大值為3.7%，最小值為2.3%，平均值達(dá)到3.0%，可見利用振動后，F(xiàn)DM樣件的彈塑性(或稱延展性)得到了明顯的提升，詳見表2和表3。

Z方向試件在拉伸試驗過程中，纖維方向垂直于載荷方向，因而其抗拉強度取決于纖維之間的黏結(jié)強度，而非纖維材料本身，利用振動進(jìn)行加工的方法可以降低孔隙率、改善夾雜物、層間分離和無層間壓力等黏結(jié)缺陷，從而提高試件的抗拉強度和延展性能。

表2Z方向普通FDM試件的拉伸實驗結(jié)果Tab.2 Tensile test results of the normalZ-direction samples (without applying vibration)

試件抗拉強度/MPa平均抗拉強度/MPa極限應(yīng)變/%平均極限應(yīng)變/%Z01Z02Z03Z04Z0511.7121.5712.6418.4518.0016.50.71.30.81.251.11.04

表3 利用振動加工的Z方向試件的拉伸實驗結(jié)果Tab.3 Tensile test results of theZ-direction samples with applying vibration

試件抗拉強度/MPa平均抗拉強度/MPa極限應(yīng)變/%平均極限應(yīng)變/%Z11Z12Z13Z14Z1532.1533.0532.6931.9931.5632.33.73.513.182.342.33.0

3.2 X方向試件

依據(jù)相同的試驗過程，針對10個X方向打印的試件完成了拉伸實驗研究，其中5個試件為普通打印制成，即未利用振動加工；另外5個則為利用振動進(jìn)行打印的試件。圖8(a)和(b)是拉伸實驗后所對應(yīng)的試件狀態(tài)圖，由斷裂結(jié)果可知所有試件均從中間部分?jǐn)嗔眩瑴y試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

(a)

(b)

圖9繪制了X方向試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，總體上利用振動進(jìn)行加工的試件與普通試件(未利用振動)的抗拉強度和彈塑性(或延展性)幾乎相同；與此相對應(yīng)的極限應(yīng)變值也基本一致。

從圖9可知，普通試件(未利用振動)抗拉強度最大值為56.78 MPa,最小值為54.77 MPa,平均值為55.69 MPa；而利用振動的試件抗拉強度最大值為54.52 MPa，最小值為52.12 MPa，平均值為53.40 MPa，抗拉強度基本相同。考慮極限應(yīng)變方面，可以看出普通試件應(yīng)變的最大值為3.84%,最小值為3.29%,平均值為3.54%；而利用振動加工的試件應(yīng)變的最大值為3.8%，最小值為3.1%，平均值為3.45%，由此可見利用振動前后，樣件的彈塑性(延展性)基本一致，詳見表4和表5。

(a)未利用振動

(b)利用振動

表4X方向普通FDM試件的拉伸實驗結(jié)果Tab.4 Tensile test results of the normalX-direction samples (without applying vibration)

試件抗拉強度/MPa平均抗拉強度/MPa極限應(yīng)變/%平均極限應(yīng)變/%X01X02X03X04X0555.8654.7756.7856.0055.0555.73.53.843.613.483.293.54

表5 利用振動加工的X方向試件的拉伸實驗結(jié)果Tab.5 Tensile test results of theX-direction samples with applying vibration

試件抗拉強度/MPa平均抗拉強度/MPa極限應(yīng)變/%平均極限應(yīng)變/%X11X12X13X14X1552.9954.5253.3152.1254.0553.43.63.243.483.83.13.45

X方向試件在拉伸試驗過程中，纖維方向平行于載荷方向，因此其抗拉強度取決于纖維材料本身的性能，利用振動進(jìn)行加工的方法無法增強纖維材料的性能，因而利用振動前后的試件的抗拉強度和延展性能無明顯差別，基本一致。

3.3 正交各向異性分析

表6總結(jié)了Z和X方向試件的抗拉強度和極限應(yīng)變的平均值。可以看出，利用振動可以有效提高Z方向試件的抗拉強度和延展性能：其中，抗拉強度的平均值從16.5 MPa提高到32.3 MPa，增強了95.8%；極限應(yīng)變值從1.04%提高到3.0%，提升了近2倍。而對于X方向樣件來說，振動的利用對抗拉強度和延展性能的影響較小，可以忽略。

表6Z和X方向試件的拉伸試驗結(jié)果平均值Tab.6 Mean tensile test results of the samples inZandXdirection

試件平均抗拉強度/MPa平均極限應(yīng)變/%Z0 (普通)Z1 (利用振動)X0 (普通)X1 (利用振動)16.532.355.753.41.043.03.543.45

普通試件的正交各向異性明顯，在Z和X方向抗拉強度均值為16.5 MPa 和 55.7 MPa，兩者相差近2.5倍；相應(yīng)的極限應(yīng)變分別為1.04%和3.54%，相差同樣近2.5倍。而對于利用振動加工的試件，正交各向異性降低明顯，在Z和X方向抗拉強度分別為32.3 MPa和53.4 MPa，兩者僅相差65%；相應(yīng)的極限應(yīng)變值分別為3.0%和3.45%，相差僅為15%。由此可見，利用振動進(jìn)行FDM 3D打印，可以有效降低成品的各向異性特點。

4 結(jié) 論

本論文研究了振動的利用對FDM 3D打印薄板抗拉強度和正交各向異性的影響，具體結(jié)論如下：

(1)X方向的普通FDM薄板的抗拉強度和彈塑性(延展性能)遠(yuǎn)大于Z方向的普通薄板。

(2)FDM 3D打印中，利用振動可以顯著提高Z方向加工試件的抗拉強度和彈塑性能(延展性能)，并使性能更加穩(wěn)定。

(3)振動對X方向加工試件的抗拉強度和彈塑性能(延展性能)影響很小，可以忽略。

(4)在FDM 3D打印過程中，利用振動進(jìn)行加工可以有效降低FDM 3D打印制品的正交各向異性。

(5)本文的研究提出了一種改善FDM 3D打印制品機械性能的新方法，為3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了一定的實踐基礎(chǔ)和技術(shù)支持。