利用振動改善FFF 薄板抗拉性能的實驗研究?

姜世杰， 董天闊， 陳丕峰， 孫明宇， 戴衛兵

（東北大學機械工程與自動化學院院 沈陽，110004）

引 言

隨著社會的快速發展及科技水平的提高，人們已經不再滿足于傳統的加工手段，開始探索更為高效、便捷的加工方式。快速成型技術為制造業提供了一種新型的制造手段［1］。FFF 技術因操作簡單、設備成本低廉、原材料范圍廣和綠色安全等特點，成為使用范圍最廣的快速成型技術之一。FFF 技術的工作原理是將絲狀的原材料通過送料管送入熱熔噴頭中，使其融化，然后噴頭通過設計好的三維打印路徑和軌跡進行運動，同時將熔融狀態的材料擠出到所指定的位置并凝固成型，逐層打印層層累加，最終堆積成實體，完成工件的制造［2-4］。

目前，FFF 工件的機械性能無法與傳統加工方式制造的工件相媲美，成為阻礙FFF 技術進一步發展的重要因素之一。因此，如何提高FFF 快速成型產品的機械性能，對FFF 快速成型技術的發展起到至關重要的作用。很多學者對此進行了大量研究。文獻［5］通過在聚乳酸（polylactic acid，簡稱PLA）中加入鐵或者銅等材料，發現金屬的加入可以改進打印樣件的剛度和柔韌性。Goh 等［6］研究了碳纖維和玻璃纖維對快速成型熱塑性塑料力學性能和斷裂模式的影響。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，因此限制了產品強度的提高。Lederle 等［7］觀察到在氮氣環境下，PLA 材料在打印過程中的氧化分解被抑制，從而改善了快速成型PLA 樣品的力學性能。Jin 等［8］采用二氯甲烷蒸汽溶解PLA 樣品表面的階梯，研究了化學工藝對快速成型樣品拉伸力學性能的影響。以上方法成本較高且不易實現，還會使零件表面粗糙度增加，不利于大范圍推廣應用。文獻［9］研究了不同光柵角度、間隙尺寸、打印層厚度、路徑寬度和加熱溫度等參數對快速成型試樣拉伸和彎曲力學性能的影響，但其原理較復雜，且不易調控。Wu 等［10］對加工好的樣件進行超聲振動后處理，分析超聲振動對FFF 快速成型丙烯腈·丁二烯·苯乙烯（acrylonitrile butadiene styrene，簡稱ABS）樣品彎曲和動態力學性能的影響。研究發現，超聲波強化處理使ABS 樣品的抗彎強度提高了10.8 %，彎曲模量提高了12.5 %，提高了動態力學性能，但其并不是在打印樣件過程中施加振動，且超聲振動設備較大，與FFF 快速成型設備結合較為困難。在快速成型領域，文獻［11］利用高功率激光系統、五軸數控加工中心、材料粉末輸送系統和電磁激振器等設備組建了振動式的激光粉末沉積（laser powder deposition，簡稱LPD）快速成型設備。其中，激振器與工作平臺相連接來控制其振動的幅度、頻率及方向。研究發現，利用振動可以有效減少LPD 快速成型零件內部孔洞缺陷的數量和尺寸（最高可達80%），進而有效提高零件的機械強度和彈塑性能（延展性）。用此方法獲得的零件內部組織更加細致，結構硬度分布也更加均勻。基于相似的概念，在FFF 快速成型設備熱熔噴頭處施加振動激勵在改進成品的機械性能方面有很大的潛力。

筆者將壓電陶瓷與FFF 快速成型設備相結合，將振動引入到FFF 成型過程中，通過控制、調節引入振動的幅值和頻率，獲取施加振動前以及不同形式振動作用后的FFF 樣件。通過對比實驗結果，分析了振動對FFF 薄板抗拉強度和彈塑性的影響規律。

1 FFF 快速成型設備改裝

本研究使用的FFF 快速成型設備型號為D-FORCE V2，機身尺寸為400 mm×470 mm×860 mm，噴嘴直徑為0.4 mm，工作底盤直徑為260 mm，z方向可到達的最高點為300 mm，其3 個并聯臂可以到達指定的任意位置，并能進行長時間的打印工作。

為了將振動引入FFF 加工過程，將壓電陶瓷固定安裝在FFF 熔融噴頭處，利用壓電陶瓷（型號為P-5 I，尺寸為40 mm×10 mm×0.3 mm）的逆壓電效應，通過放大器（型號為HPV-3C0150A0300D）將信號發生器（型號為VC2015H）產生的正弦波形電信號放大15 倍，為壓電陶瓷提供高穩定性、高分辨率的電壓，使熔融噴頭處于縱向振動場中，再通過加速度傳感器（B&K4517）、數據采集卡（NI USB 4431）等拾振設備確定熔融噴頭的實際振動狀態。振動式FFF 快速成型設備示意圖如圖1 所示。其中，信號發生器具有調節振動頻率和輸入電壓的功能，可以單獨控制用來改變振動的頻率和幅值。

2 拉伸實驗研究

2.1 試件準備

根據ISO 527-2-2012 標準，利用FFF 快速成型設備制備了外形尺寸如圖2 所示的拉伸實驗試件，其長度為158 mm，測試寬度為10 mm，厚度為2.4 mm。試件材料為聚乳酸，一種生物基可再生生物降解材料，具有熱穩定性好、易加工和生物相容性強等優點，因此得到了廣泛應用。

圖1 振動式FFF 快速成型設備Fig.1 The vibrating FFF rapid prototyping equipment

圖2 拉伸實驗試件（單位：mm）Fig.2 Tensile test specimen(unit:mm)

本研究共加工了30 個試件，纖維方向是縱向的試件有15 個（與拉伸方向平行，為x方向打印），其中：3 個為施加振動前的試件（表示為3）；6 個為900 Hz 振動場下試件（振動幅值為0.18g和0.24 g 的試件各3 個，分別表示為和=1～3）；另有6 個是振動幅值為0.2g振動場下試件（振動頻率分別為150 Hz 和200 Hz 的試件各3 個，分別表示為和i=1～3）。纖維方向是橫向的試件有15 個（與拉伸方向垂直，為z方向打印），其中：3 個為施加振動前的試件（表示為=1～3）；6 個為900 Hz 振動場下試件（振動幅值為0.18g和0.24g的試件各3 個，分別表示為和=1～3）；另有6 個是振動幅值為0.2g振動場下試件（振動頻率分別為150 Hz 和200 Hz 的試件各3 個，分別表示為和i=1～3）。除了施加振動的頻率或者幅值不同之外，打印機的其他所有設置均是相同的。試件的具體參數設置如表1 所示。

表1 試件的具體參數（i=1～3）Tab.1 Specific parameters of specimens（i=1～3）

2.2 實驗方法

根據ISO 527-2-2012 標準，利用拉伸實驗機（型號為SHIMADZU EHF-EV200K2-040）對全部30個試件進行拉伸實驗。該設備的測量精度為±0.5 %，負載力范圍為0～200 kN，加載速率設置為5 mm/min，拉伸實驗設備和試件如圖3 所示。

圖3 拉伸實驗設備和試件Fig.3 Tensile test equipment and specimen

由于PLA 材料的機械性能遠小于鋼鐵等金屬材料，因此拉伸實驗機對試件兩端的夾緊力僅設置為5 MPa，以防止試件損壞而影響實驗結果。測得應力σ的公式為

其中：F為施加在試件上的力；S為試件的橫截面積。

應變ε的公式為

其中：δ為沿著拉伸方向的伸長量；L為試件的原始長度。

3 實驗結果

3.1 熔融噴頭振動分析

利用壓電陶瓷將振動場施加于熔融噴頭，通過拾振設備確定噴頭的實際振動狀態，由此控制熔融噴頭產生不同形式的振動狀態（豎直方向）如圖4所示。

圖4 熔融噴頭的振動狀態Fig.4 The vibration state of the extrusion liquefier

豎直方向的簡諧振動表達式為

其中：x為加速度；A為振幅；ω為圓頻率；t為時間；α為初相，α= 0。

3.2 x方向試件

3.2.1 幅值相同、頻率不同振動場的影響

對比分析x方向打印的試件以及的應力-應變關系，可以確定振動幅值相同、頻率不同的振動場對試件抗拉性能的影響規律。圖5 為幅值相同、頻率不同的振動對x方向試件抗拉性能的影響曲線。可以看出，施加振動后的試件比施加振動前的試件抗拉強度更好，且應變數值更大，彈塑性更好。

圖5 幅值相同、頻率不同的振動對x 方向試件抗拉性能的影響Fig.5 The effect of the vibration with the same amplitude but different frequencies on the tensile property of x-direction specimens

幅值相同、頻率不同的振動場下，x方向試件測試結果如表2 所示。由表2 可知：施加振動前的試件的平均抗拉強度為45.46 MPa，施加振動進行加工的試件和的平均抗拉強度分別為47.69 MPa 和48.51 MPa，抗拉強度提高幅度為4.9 %和6.7 %；在極限應變方面，施加振動前的試件的平均應變為0.095 %，而試件和的平均應變值分別為0.115 %和0.116 %，提升幅度達21 %和22 %。可見，施加振動后，FFF 試件的抗拉性能（抗拉強度和彈塑性）得到了明顯提升，且隨著振動頻率的增大而進一步提高。

表2 幅值相同、頻率不同的振動場下x方向試件測試結果Tab.2 Test results of x-direction specimens fabricated under the vibration with the same amplitude but different frequencies

3.2.2 頻率相同、幅值不同振動場的影響

根據相同的實驗過程，對比分析x方向打印的試 件以及的應力-應變關系，可以確定頻率相同、幅值不同的振動場對試件抗拉性能的影響規律。圖6 為頻率相同、幅值不同的振動對x方向試件抗拉性能的影響。可以看出，施加振動進行加工的試件的抗拉強度和彈塑性明顯優于施加振動前的試件。

圖6 頻率相同、幅值不同的振動對x 方向試件抗拉性能的影響Fig.6 The effect of the vibration with the same frequency but different amplitudes on the tensile property of x-direction specimens

頻率相同、幅值不同的振動場下x方向試件測試結果如表3 所示。由表3 可知：施加振動前的試件的平均抗拉強度為45.46 MPa，施加振動進行加工的試件和的平均抗拉強度分別為46.99 MPa 和49.71 MPa，抗拉強度提高幅度為3.4 %和9.3 %；在極限應變方面，施加振動前的試件的平均應變為0.095 %，而試件和的平均應變分別為0.126 %和0.128 %，提升幅度達33 %和35 %。可見，施加振動后，FFF 試件的抗拉性能（抗拉強度和彈塑性）得到了明顯提升，并且隨著振動幅度的增大而進一步增大。

表3 頻率相同、幅值不同的振動場下x方向試件測試結果Tab.3 Test results of x-direction specimens fabricated under the vibration with the same frequency but different amplitudes

3.3 z 方向試件

3.3.1 幅值相同、頻率不同振動場的影響

對比分析z方向打印的試件以及的應力-應變關系，可以確定加速度幅值相同、頻率不同的振動場對試件抗拉性能的影響規律。圖7 為幅值相同、頻率不同的振動對z方向試件抗拉性能的影響曲線。可以看出，施加振動后的試件比施加振動前的試件的抗拉強度更好，且應變數值更大，彈塑性更好。

圖7 幅值相同、頻率不同的振動對z 方向試件抗拉性能的影響Fig.7 The effect of the vibration with the same amplitude but different frequencies on the tensile property of z-direction specimens

幅值相同、頻率不同的振動場下z方向試件測試結果如表4 所示。由表4 可知，施加振動前的試件的平均抗拉強度為23.68 MPa，平均極限應變為0.057 %。利用振動進行加工的樣件和的平均抗拉強度分別為29.36 MPa 和32.79 MPa，平均極限應變分別為0.070 % 和0.073 %。抗拉強度提高幅度為24 %和38 %，極限應變提升幅度為23 %和28 %。可見，施加振動后，FFF 試件的抗拉性能（抗拉強度和彈塑性）得到了明顯的提升，且隨著振動頻率的增大而逐漸增大。

表4 幅值相同、頻率不同的振動場下z方向試件測試結果Tab.4 Test results of z-direction specimens fabricated under the vibration with the same amplitude but different frequencies

3.3.2 頻率相同、幅值不同振動場的影響

根據相同的實驗過程，對比分析z方向打印的試 件以及的應力-應變關系，可以確定振動頻率相同、幅值不同的振動場對試件抗拉性能的影響規律。圖8 為頻率相同、幅值不同的振動對z方向試件抗拉性能的影響曲線。頻率相同、幅值不同的振動場下z方向打印試件測試結果

圖8 頻率相同、幅值不同的振動對z 方向試件抗拉性能的影響Fig.8 The effect of the vibration with the same frequency but different amplitudes on the tensile property of z-direction specimens

表5 頻率相同、幅值不同的振動場下z 方向打印試件測試結果Tab.5 Test results of z-direction specimens fabricated under the vibration with the same amplitude but different frequencies

3.4 正交各向異性分析

圖9，10 為z方向和x方向打印試件的平均抗拉強度和極限應變的柱狀圖。可見，施加振動前的z和x方向打印的試件和平均抗拉強度分別為23.68 MPa 和45.46 MPa，兩者相差92 %；相應的平均極限應變分別為0.057 %和0.095 %，相差67 %。因此，施加振動前的普通FFF 薄板的正交各向異性特點明顯。

當施加振動幅值相同（0.2g）、頻率分別為150和200 Hz 的 振 動 時，z和x方 向 試 件以及和的平均抗拉強度分別相差62 %和48 %；相應的平均極限應變值分別相差64 %和58 %，如圖9 所示。可見，利用振動后，FFF薄板的正交各向異性特點顯著降低，且隨著頻率的增大而進一步降低。

圖9 幅值相同、頻率不同的振動場下z 和x方向試件的平均各向異性對比圖Fig.9 Comparison of the average anisotropy of the specimens fabricated in z and x direction under the vibration with the same amplitude but different frequencies

當施加頻率相同（900 Hz）、振動幅值分別為0.18g和0.24g的振動時，z和x方向試件以及和的平均抗拉強度分別相差27 %和25 %；相應的平均極限應變值分別相差65 %和62 %，如圖10 所示。可見，施加振動后，FFF 薄板的正交各向異性特點顯著降低，且隨著振動幅值的增大而進一步降低。

圖10 頻率相同、幅值不同的振動場下z 和x 方向試件的平均各向異性對比圖Fig.10 Comparison of the average anisotropy of the specimens fabricated in z and x direction under the vibration with the same frequency but different amplitudes

4 結 論

1）在FFF 快速成型中，施加振動進行加工的試件抗拉性能（抗拉強度和彈塑性）明顯優于施加振動前的試件，并且正交各向異性特點改善明顯。

2）對于施加振動后的試件，當施加振動的幅值相同、頻率不同時，頻率越大，試件的抗拉強度越大，彈塑性越好，正交各向異性改善越明顯。

3）對于施加振動后的試件，當施加振動的頻率相同、幅值不同時，幅值越大試件的抗拉強度越大，彈塑性越好，正交各向異性改善也越明顯。

4）將壓電陶瓷與FFF 快速成型設備相結合，將振動引入到FFF 成型過程中，以改善FFF 產品的機械性能，為FFF 技術的進一步發展做出了一定的貢獻。