工藝參數對FDM成型塑料制品力學性能的影響*

郭 章

(貴州裝備制造職業學院,貴州 貴陽 550000)

0 引言

3D打印技術是一種目前已經獲得廣泛應用的先進制造技術,作為一種全新的增材制造技術,其具有成本低、效率高和適應性強等優點,特別適合小批量定制生產。在眾多的3D打印技術之中,熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM)是一種較為成熟的制備塑料產品的打印技術,其在教育和文創領域有著十分廣泛的應用。FDM成型的流程首先是由用戶在三維造型軟件中設計出所需打印產品的三維模型;然后將三維模型導入切片軟件中獲得stl打印模型;然后導入3D打印機中進行打印;最后對打印的模型進行去絲和打磨等后處理四道工序。其中,在最關鍵的打印環節中,3D打印機的噴頭將產生高溫熔化PLA等原材料,并通過針孔大小的擠出頭將熔融狀態的原料沉積在打印平臺上,從而一層層的堆疊成所需的三維形狀。

在PLA塑料件的3D打印過程中,產品的性能受到多種因素的影響,如打印溫度、填充率、打印層高和打印速度等。其中打印溫度和填充率對打印產品的影響已有多位學者進行了研究。本文重點研究在不同的打印速度和打印層高的條件下,塑料制品試件力學性能的變化規律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本文試驗采用深圳創想三維公司的cr-PLA線材,這是一種優質的3D打印耗材,被廣泛應用在FDM成型塑料制品的加工中,材料的相關參數如表1所示。

表1 試驗用cr-PLA材料的相關工藝參數

1.2 試驗設備

本文試驗采用深圳創想三維公司Ender-3s桌面型3D打印機,該打印機在打印PLA材料時的推薦打印溫度為210 ℃,推薦熱床溫度為50 ℃,打印產品的最大尺寸為300 mm×300 mm×400 mm。

1.3 試驗方法

為了測試在不同打印速度、打印層高和填充率等工藝條件下試件的力學性能,本文拉伸試驗按照GB/T 1040.1—2006進行。拉伸試樣采用3D打印直接獲得,試樣的形狀和尺寸按照以上國標制備,具體形狀尺寸如圖1。

圖1 拉伸試樣的形狀和尺寸

圖2 試驗所用打印機

首先,采用UG軟件按照圖1數據直接繪制試樣的三維模型,并將模型輸出為STL格式,然后采用Simplify 3D軟件對模型進行打印參數設置。本文參考相關研究成果和3D打印機的推薦參數,設置除打印速度和打印層高以外的主要工藝參數,如表2所示。

表2 拉伸試樣打印的相關工藝參數

由于試件的力學性能與填充率成正相關,而過高的填充率又會增加打印成本和打印時間,因此目前工程實踐中最常用的打印填充率為20%、30%和50%。打印層高則按照本款打印機z軸螺桿的螺距倍數,分別選擇1.2 mm、1.6 mm、2.0 mm和2.4 mm,打印速度選擇日常最常用區間內的50 mm/s、60 mm/s、70 mm/s、80 mm/s。為消除試驗過程中偶然因素的影響,每一種工藝參數制備2組平行試樣進行拉伸試驗并記錄其最大抗拉強度,本次試驗一共制備了96組拉伸試樣。

2 試驗結果與討論

在試驗過程中,打印速度和打印層高的變化對PLA材料打印試樣的抗拉強度的改變具有明顯影響,但是無法定量確定二者的獨立影響水平和它們之間交互作用的影響水平。因此,采用可重復雙因素方差分析的方式對試驗數據進行分析,試樣力學性能的影響因子為打印速度和打印層高兩個因素,分別記為因素A和B,其交互作用記為A×B,其因素水平如表3所示。由于填充率對試樣抗拉強度有著明顯影響,因此選擇打印填充率為20%、30%和50%,對試驗數據進行分別分析,分別記錄試驗中的抗拉強度,如表4至表6所示。

表3 試驗因素水平表

表4 雙因素作用下的試驗數據表

表5 雙因素作用下的試驗數據表

表6 雙因素作用下的試驗數據表

將上表中測得的抗拉強度數值記為xij,其中,i=1,2,…,r為因素A的水平序號,j=1,2,…,s為因素B的水平序號。設xij滿足xij～N(μij,σ),σi為因素A的水平效應,βi為因素B的水平效應,γij為σi和βi的交互作用。則考慮打印速度和層高的交互作用,取以下分析模型進行計算。

檢驗假設條件:

如果H0A(或H0B)成立,則認為因素A(或B)的影響不顯著。分別計算出因素A、B的偏差平方SA、SB,A×B的交互偏差平方和SA×B和誤差平方和SE。當H0A為真時,可以證明FA～F(r-1,rs(t-1)),取顯著性水平為α,得假設H0A的拒絕域FA≥F(r-1,rs(t-1))。類似的可以得到H0B和H0AB的拒絕域,具體計算方式如表7所示。

表7 有重復試驗雙因素方差分析表

即對于試驗中的打印速度和層高兩個因素A和B,及其交互作用A×B,當其統計量F大于臨界值時,其對試件抗拉強度的影響顯著,反之則不顯著。

將表4-表6中的數據帶入SPSS軟件進行計算,取置信度α=0.05,可以計算出本文所需的各個關鍵指標,如表8-表10。

表8 填充率為20%時的方差分析結果

由表8、表9、表10的計算結果可知,在打印填充率為20%、30%和50%的試驗條件下,A,B,A×B三個因素的F統計量均大于F臨界值。因此,打印速度和打印層高對試件的抗拉強度都有顯著影響,其中打印層高的影響最為顯著,其次為打印速度,打印速度和打印層高的交互作用效應顯著,但其在試樣中的效應顯著且顯著水平明顯低于打印速度和打印層高,且隨著填充率的增加,A,B,A×B三個因素的顯著性降低,這是由于隨著填充率的增加,試樣內部會形成更好的粘連效應,從而削弱了每層截面間粘連效應對試樣總強度的影響。

表9 填充率為30%時的方差分析結果

表10 填充率為50%時的方差分析結果

從表4、表5、表6還可以看出,在打印填充率為20%、30%和50%的試驗條件下,試樣的抗拉強度隨著打印速度和打印層高的增加均呈現出逐步降低的規律,這是由于過快的打印速度會導致試樣在水平方向上的粘接力較弱,甚至出現拉絲等缺陷;較大的層高會導致試樣在z方向上的粘接層數目減少,從而降低層與層之間的粘連效應,使得試件總體的強度降低。

3 結論

本文主要對采用FDM技術成型的塑料制品試樣進行了研究,經過相關試驗發現:

(1)在打印填充率為20%、30%和50%三種試驗條件下,打印速度、打印層高和二者的交互作用對試樣抗拉強度均有顯著影響,其影響效果依次為打印層高>打印速度>二者交互作用。

(2)在三種填充率條件下制備的各組試樣,其抗拉強度隨著打印速度和打印層高的增加均呈現出逐步降低的規律。