外力壓縮作用下FDM構件力學性能影響因素分析

王鐸，沈振輝，楊拴強

（福建江夏學院 工程學院，福建 福州 350108）

增材制造技術（AM）簡稱3D打印，是快速成型技術之一[1-3]。通過計算機建立軟件模型，再將三維模型進行“切片/分區”成逐層截面，打印過程中依據“分區”的二位輪廓逐層堆積材料，從而形成三維立體模型[4]。3D打印可以制造任意形狀的產品，制造工序簡化，產品生產工期縮短，生產成本降低，節約材料等優勢，該技術已經逐漸能夠代替傳統加工零件，由于應用領域廣泛，受到越來越多的關注，成為近年來全球最熱門的高端技術之一[5-6]。

材料與設備是制約3D打印發展的瓶頸。目前打印材料的研發難度比設備的研發難度更大，因此材料的發展程度決定了3D打印推廣和應用的程度[7-8]。所以歐美和日本等國家都對3D打印材料投入大量研究，以此爭搶21世紀制造業的戰略優勢[9]。3D打印材料中，聚合物材料的成型方式最多，如FDM、SLS和SLA等，應用于FDM工藝的材料主要有ABS、聚乳酸(PLA)等。

在FDM工藝中，部件的機械強度（如壓縮強度、拉伸強度，彎曲強度）和表面粗糙度是高度各向異性的[10-11]。最終制造零件的強度、粗糙度和幾何精度取決于各種工藝參數，如輪廓寬度、光柵角度、光柵寬度、層厚、零件方向、氣隙和機器設置[12]。選擇最佳的工藝參數設置，可以有效提高機械強度、表面粗糙度和幾何精度。如何提高3D打印制品的力學強度問題已經成為現階段國內外學者的研究熱點。

1 目前技術水平

Dawoud等通過調整光柵角度和氣隙密度等手段，采用沖擊、拉伸和彎曲變形等力學測試分析其對FDM制成品的影響，實驗結果反映出在FDM工藝中采用適當的設計參數，FDM制成品的力學性能可以達到傳統注塑制品的力學性能[13]。Sood A等采用統計方法研究氣隙、零件方位、光柵寬度、層厚和光柵角度對FDM零件拉伸、彎曲和沖擊強度的影響[14]。Espin等研究零件取向對FDM技術制備聚碳酸酯零件拉伸強度的影響，并用有限元方法對結果進行驗證，他們得出結論，FDM零件的機械強度本質上是各向異性的，取決于零件的構造方向[15]。為了提高機械強度，零件應定向使其產生與應力一致的最長輪廓。Huang等假設FDM零件在機械性能上對結構敏感的本質前提下進行建模分析，研究光柵角度對FDM零件拉伸強度、剪切模量、彈性模量和泊松比的影響[16]。結果表明，機械強度隨光柵角的增大而減小，從0°～90°不等，并與實驗結果進行驗證。Es-Said等研究了光柵方向對FDM零件拉伸、彎曲和沖擊強度的影響。他們觀察到，試樣的破壞主要發生在層界面上[17]。Dawoud等研究光柵角度和光柵氣隙對FDM零件的機械強度的影響，發現負氣隙顯著提高了FDM零件的機械強度[18]。

眾多研究學者都試圖確定最佳工藝參數設置，以獲得FDM零件所需的機械強度。但在FDM工藝研究過程中，材料、工藝、光柵角度、填充率、氣隙等諸多因素對制成品的力學性能都會產生很大的影響。綜合上述分析，當前研究主要取得了制件結構、制造工藝和參數對FDM制件力學性能影響關系研究中獲得顯著的成果，但依然存在許多不足，主要體現在以下3各方面：所選取的各因素之間是否有交互作用，其本構關系尚不明確；選取的因素數量少，不能說清該影響是偶發因素還是存在內部必然聯系；上述研究多采用單一變量法或多變量法研究，但沒有進行綜合變量分析。

因此，開展多種材料相同層厚壓縮力學性能特征比較、多種材料相同層厚不同填充密度抗壓力學性能特征比較、同種材料不同打印速度和不同填充比例力學性能特征比較，研究不同影響因素和不同水平對FDM制件力學性能影響，探討各工藝因素對零件抗壓性能影響的定量表達及預測模型，解決影響FDM制件力學性能的各影響因素的重要程度和定量關系問題，對提高FDM制件抗壓力學性能具有重要的理論意義和工程應用價值。

2 實驗和方法

2.1 材料

實驗中分別采用ABS、ABS+、PLA三種絲狀耗材，其直徑均為1.75 mm，白色。ABS密度為1.05，使用ABS進行3D打印時，材料吸水率低，溫度要超過110℃，否則極易翹曲，通常使用溫度保持在180～240℃區間，熔體粘度適宜。ABS+材料的硬度、韌性和抗沖擊性能要高于ABS材料，但由于吸水率高，使用時要保證環境濕度較低，進行3D打印時溫度通常保持在250～280℃區間。PLA材料對溫度要求比較敏感，由于材料融化溫度較低，粘性相對ABS材料較好，可以更好的附著在玻璃或亞克力等材質的打印平臺上。打印平臺溫度保持在50℃以下，打印效果較為理想，超過50℃會影響試件底面平整度，不利于后續壓縮實驗進行，進行3D打印時通常使用溫度保持在180～200℃區間。

2.2 實驗設備與實驗標準

3D打印設備為北京太爾時代科技有限公司生產的UP-BOX+3D打印機。

FDM壓縮試驗設備為上海松頓儀器制造有限公司生產的WDW-50電子萬能實驗機。

實驗采用北京太爾時代科技有限公司生產的UPBOX+3D打印機，體積為493 mm×493 mm×517 mm，燈絲直徑為1.75 mm。UP-BOX 3D的工作溫度在15～30°C之間，相對濕度20%～50%，其打印成型原理為熱熔擠壓FDM，成型平臺尺寸為255mm×205 mm×205 mm，打印精度0.1～0.4 mm，單噴頭，噴嘴直徑0.4 mm。在UP-Studio軟件環境下運行打印，輸入文件格式STL、UP3、UPP。采用上海松頓儀器制造有限公司生產的WDW-50電子萬能實驗機，外形尺寸為850 mm×550 mm×2 100 mm，試驗行程為1 100 mm。WDW-50電子萬能實驗機的結構形式為落地雙柱式結構，標準機型為上空間拉伸下空間壓縮、彎曲。精度等級為0.5級，試驗力測量精度為±0.5%，傳感器配置為美國世銓高精度負荷傳感器，變形示值誤差為示值的±0.5%，大變形測量范圍為1～900 mm，大變形示值誤差為示值的±1%。壓縮實驗依賴Smart Test軟件環境對壓縮參數的控制、數據收集。

圖1 UPBOX+打印機及內部結構Fig.1 Up box+printer and its internal structure

實驗采用國際標準ISO 604:2002《塑料：壓縮性能的測定》。試樣應為棱柱、圓柱或管狀，試樣的尺寸應滿足下面的不等式為試驗時發生的最大壓縮標稱應變，以比值表示；x取決于試樣的形狀，圓柱為直徑、管為外徑、棱柱為厚度（橫截面積的最小側）；l為平行于壓力軸測量的試樣厚度。

2.3 實驗樣本抽樣與數據采集

實驗確定研究的四個因素，分別為層片厚度（0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 mm）、填充方式（13%、15%、20%、65%、80%、99%）、質量（默認、較好、較快、極快）和材料（ABS、ABS+、PLA），得到水平因素表，如表1所示。

表1 水平因素表Tab.1 Horizontal factor table

式中：

如果采用全面設計法和統計學方法進行分析，將表1中的四個因素的各個水平進行組合，需要進行5×6×4×3=360組實驗，由于實驗所需時間較長，實驗數據龐雜，并不利于本實驗的研究，所以本實驗采用正交試驗設計方法進行研究，可以從大量的實驗因素中篩選出具有代表性的因素進行實驗，數據采集方式為均勻分布式。采用正交試驗設計方法進行抽樣，得到25組試樣樣本數據，在節省時間的同時保證實驗準確性。

2.4 3D打印參數

利用IBM SPSSStatistic22軟件，將正交設計中定義的四種因子命名并確定標簽。名稱a、b、c和d分別對應層片厚度、填充方式、質量和材料，制定正交設計表，如表2所示。

表2 正交設計表Tab.2 Orthogonal design table

表2列出25組數據，數據均勻分布。為確保實驗準確性和減少誤差，每組數據打印5個試樣，共125個試樣，如圖2所示。

圖2 25組125個試樣Fig.2 25 groups of 125 samples

2.5 FDM壓縮實驗

試樣的壓縮試驗使用WDW-50電子萬能實驗機進行，該機配備有50 kN的稱重傳感器，并按照GB/T11997—2008標準，速度為2 mm/min。FDM樣品用于壓縮試驗的試樣，如圖3（a）所示夾在機器壓頭中進行試驗，試驗后壓縮的樣品如圖3（b）所示。

圖3 夾具布置和壓縮試樣（a）試驗前和（b）試驗后FDM壓縮零件Fig.3 Fixture arrangement and compression specimens(a)pre test and(b)post test FDM compressed parts

3 結果分析與討論

3.1 壓縮數據采集

遵照實驗標準GB/T 11997—2008，利用WDW-50電子萬能實驗機對25組125個試驗進行壓縮試驗，如圖4所示，試驗采用與實驗機匹配的Smart Test操作系統控制。在操作系統輸入試樣平均直徑和高度，誤差范圍±0.2 mm，優選類型和試樣尺寸如表3。

表3 優選類型和試樣尺寸Tab.3 Preferred type and specimen size

記錄每次壓縮試驗中最大壓縮強度和塑料彈性模量，每組平均最大壓縮強度和平均塑料彈性模量，如圖4和圖5。

圖4 最大壓縮強度平均值柱狀圖Fig.4 Histogram of mean maximum compressive strength

圖5 彈性模量平均值柱狀圖Fig.5 Histogram of average elastic modulus

在圖4中，第20組試樣的最大，第16組試樣的最小。在圖5中，第21組試樣最大，第17組試樣最小。

3.2 壓縮試驗分析

圖6中第16組和第17組樣品應力-應變曲線，曲線有明顯的直線等比例階段，曲線進一步上升出現屈服階段；由于試樣內部存在空隙，屈服階段后壓縮僅需較小的外力，就產生較大形變，材料向內部塌縮引起曲線明顯下行；當內部材料壓縮密實后產生較大形變需要進一步提高外力，所以強度曲線出現上升階段，直至材料出現破壞。圖6中第20組和第21組樣品應力-應變曲線，曲線有明顯的直線等比例階段，曲線進一步上升出現屈服階段；試樣層片厚度分別為0.2 mm和0.15 mm，填充方式99%，打印質量默認，試樣內部空隙很少，屈服階段后壓縮材料內部已經密實，當試樣出現較大變形時需要增大外力，所以強度曲線出現上升階段，直至材料出現破壞。收集整理實驗數據得到表4。

圖6 第16、17、20和21組壓縮圖像Fig.6 Group 16,17,20 and 21 compressed images

表4 數據綜合統計表Tab.4 Comprehensive statistical table of data

根據表4分析：按照最大抗壓強度進行比較分析，第20組試樣的最大抗壓強度為105.8 MPa，其參數設置為：a=0.2 mm，b=99%，ABS+材料，打印質量默認，該組是25組試樣中最大抗壓強度平均值中最高的一組；第16組試樣的最大抗壓強度為18.2 MPa，其參數設置為：a=0.1 mm，b=15%，ABS材料，打印質量默認，該組是25組試樣中最大抗壓強度平均值中最低的一組，表明其抗壓縮能力最差。按照彈性模量進行比較分析，第17組試樣的彈性模量為0.144 MPa，其參數設置為：a=0.2 mm，b=20%，ABS+材料，打印質量較快，該組是25組試樣中彈性模量平均值最小的一組，表明其剛度最弱，最易產生變形；第21組試樣的彈性模量為5.94 MPa，其參數設置為：a=0.15 mm，b=99%，PLA材料，打印質量較快，該組是25組試樣中彈性模量平均值最大的一組，表明其剛度最高，最難產生變形。抗壓效果最優秀的試樣和抗變形效果最好的試樣并不在同一組試樣上，進行簡單比較很難得出確切結論，進一步利用MINITAB進行綜合分析。

3.3 田口試驗數據分析

將表4中數據輸入MINITAB軟件系統中，執行田口設計分析命令，噪聲因子分別設計為層片厚度、填充方式、質量和材料，控制因子設計為最大壓縮強度和彈性模量。田口試驗中采用信噪比來衡量數據穩定性指標，采用信噪比分析研究，利用噪聲因子效應最小化來確定減小過程中的變異性因子的控制。依據不同實驗標準選擇不同信噪比，本實驗屬于靜態設計，以響應為目標，以均值和標準差為基礎，選擇望目（默認），信噪比（S/N）

式中：S表示給定因子水平組合的所有噪聲因子的響應標準差；Y表示給定因子水平組合的響應；詳見表5及表6。

表5 方差計算表Tab.5 Variance calculation table

表6 信噪比響應表Tab.6 SNR response table

由表5計算可得，給定因子水平組合的所有噪聲因子的響應標準差S=0.393 1。表6中，C1、C2、C3和C4分別代表層片厚度、填充方式、打印質量和材料。從表中可以看出C1的delta值最大，秩為1；C4的delta值低于C1，秩為2；C2的delta值低于C4，秩為3；C3的delta值低于C2，秩為4。秩的排序表明層片厚度對信噪比的影響最大，材料的影響次之，影響最小的為打印質量。

對信噪比主效應圖進行分析，如圖7所示，根據曲線上各點的數值，對各個因子的水平進行分析。圖C1中表明當層片厚度在0.1 mm時，信噪比均值最高；圖C2中表明當填充方式的填充度為99%時，信噪比均值最有效；圖C3中表明打印材料選擇ABS+時，有利于增強材料的信噪比均值；圖C4表明打印方式選擇默認設置時，效果最佳。由上述分析得到最佳配比參數設置：C1為0.1 mm，C2為99%，C3取ABS+材料，C4選擇默認打印方式。

圖7 各因素信噪比圖Fig.7 Signal to noise ratio of each factor

4 結論

（1）針對FMD零件加工的四種參數分析，對抗壓縮強度影響最大的是層片厚度，其次是材料種類，第三是填充方式，最后是打印質量。打印抗壓縮性能優良的FDM零件，選擇適宜的層片厚度是關鍵因素。經田口實驗分析，當層片厚度為0.1 mm時，為最優選擇。

（2）從層片厚度方面衡量，抗壓縮性能依次按從優到差排列為：0.1、0.15、0.25、0.3、0.2；從材料方面衡量，ABS+的抗壓縮性能優于PLA，PLA的抗壓縮性能優于ABS；從填充方式方面衡量，抗壓縮性能依次按從優到差排列為：99%、15%、80%、65%、20%；從打印質量方面衡量，抗壓縮性能依次按從優到差排列為默認、較快、極快、較好。

（3）田口試驗表明，在實驗條件相同的情況下，綜合上述所有相關3D打印參數情況下，抗壓性能最佳的FMD零件其設置參數為：層片厚度為0.1 mm，填充度為99%，材料為ABS+，打印質量采用默認方式。

（4）參數的設置水平因素不是越優越好，而是需要結合打印的實際環境、打印實物的具體力學性能要求及制造成本等多方面進行考慮。當打印精度較高的零件時，在選擇參數時應該充分考慮材料本身性能，而不能直觀的進行目測選擇。