工艺参数对FDM成型塑料制品力学性能的影响*

时间：2024-07-28

郭章

(贵州装备制造职业学院,贵州贵阳 550000)

0 引言

3D打印技术是一种目前已经获得广泛应用的先进制造技术,作为一种全新的增材制造技术,其具有成本低、效率高和适应性强等优点,特别适合小批量定制生产。在众多的3D打印技术之中,熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)是一种较为成熟的制备塑料产品的打印技术,其在教育和文创领域有着十分广泛的应用。FDM成型的流程首先是由用户在三维造型软件中设计出所需打印产品的三维模型;然后将三维模型导入切片软件中获得stl打印模型;然后导入3D打印机中进行打印;最后对打印的模型进行去丝和打磨等后处理四道工序。其中,在最关键的打印环节中,3D打印机的喷头将产生高温熔化PLA等原材料,并通过针孔大小的挤出头将熔融状态的原料沉积在打印平台上,从而一层层的堆叠成所需的三维形状。

在PLA塑料件的3D打印过程中,产品的性能受到多种因素的影响,如打印温度、填充率、打印层高和打印速度等。其中打印温度和填充率对打印产品的影响已有多位学者进行了研究。本文重点研究在不同的打印速度和打印层高的条件下,塑料制品试件力学性能的变化规律。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本文试验采用深圳创想三维公司的cr-PLA线材,这是一种优质的3D打印耗材,被广泛应用在FDM成型塑料制品的加工中,材料的相关参数如表1所示。

表1 试验用cr-PLA材料的相关工艺参数

1.2 试验设备

本文试验采用深圳创想三维公司Ender-3s桌面型3D打印机,该打印机在打印PLA材料时的推荐打印温度为210 ℃,推荐热床温度为50 ℃,打印产品的最大尺寸为300 mm×300 mm×400 mm。

1.3 试验方法

为了测试在不同打印速度、打印层高和填充率等工艺条件下试件的力学性能,本文拉伸试验按照GB/T 1040.1—2006进行。拉伸试样采用3D打印直接获得,试样的形状和尺寸按照以上国标制备,具体形状尺寸如图1。

图1 拉伸试样的形状和尺寸

图2 试验所用打印机

首先,采用UG软件按照图1数据直接绘制试样的三维模型,并将模型输出为STL格式,然后采用Simplify 3D软件对模型进行打印参数设置。本文参考相关研究成果和3D打印机的推荐参数,设置除打印速度和打印层高以外的主要工艺参数,如表2所示。

表2 拉伸试样打印的相关工艺参数

由于试件的力学性能与填充率成正相关,而过高的填充率又会增加打印成本和打印时间,因此目前工程实践中最常用的打印填充率为20%、30%和50%。打印层高则按照本款打印机z轴螺杆的螺距倍数,分别选择1.2 mm、1.6 mm、2.0 mm和2.4 mm,打印速度选择日常最常用区间内的50 mm/s、60 mm/s、70 mm/s、80 mm/s。为消除试验过程中偶然因素的影响,每一种工艺参数制备2组平行试样进行拉伸试验并记录其最大抗拉强度,本次试验一共制备了96组拉伸试样。

2 试验结果与讨论

在试验过程中,打印速度和打印层高的变化对PLA材料打印试样的抗拉强度的改变具有明显影响,但是无法定量确定二者的独立影响水平和它们之间交互作用的影响水平。因此,采用可重复双因素方差分析的方式对试验数据进行分析,试样力学性能的影响因子为打印速度和打印层高两个因素,分别记为因素A和B,其交互作用记为A×B,其因素水平如表3所示。由于填充率对试样抗拉强度有着明显影响,因此选择打印填充率为20%、30%和50%,对试验数据进行分别分析,分别记录试验中的抗拉强度,如表4至表6所示。

表3 试验因素水平表

表4 双因素作用下的试验数据表

表5 双因素作用下的试验数据表

表6 双因素作用下的试验数据表

将上表中测得的抗拉强度数值记为xij,其中,i=1,2,…,r为因素A的水平序号,j=1,2,…,s为因素B的水平序号。设xij满足xij～N(μij,σ),σi为因素A的水平效应,βi为因素B的水平效应,γij为σi和βi的交互作用。则考虑打印速度和层高的交互作用,取以下分析模型进行计算。

检验假设条件:

如果H0A(或H0B)成立,则认为因素A(或B)的影响不显著。分别计算出因素A、B的偏差平方SA、SB,A×B的交互偏差平方和SA×B和误差平方和SE。当H0A为真时,可以证明FA～F(r-1,rs(t-1)),取显著性水平为α,得假设H0A的拒绝域FA≥F(r-1,rs(t-1))。类似的可以得到H0B和H0AB的拒绝域,具体计算方式如表7所示。

表7 有重复试验双因素方差分析表

即对于试验中的打印速度和层高两个因素A和B,及其交互作用A×B,当其统计量F大于临界值时,其对试件抗拉强度的影响显著,反之则不显著。

将表4-表6中的数据带入SPSS软件进行计算,取置信度α=0.05,可以计算出本文所需的各个关键指标,如表8-表10。

表8 填充率为20%时的方差分析结果

由表8、表9、表10的计算结果可知,在打印填充率为20%、30%和50%的试验条件下,A,B,A×B三个因素的F统计量均大于F临界值。因此,打印速度和打印层高对试件的抗拉强度都有显著影响,其中打印层高的影响最为显著,其次为打印速度,打印速度和打印层高的交互作用效应显著,但其在试样中的效应显著且显著水平明显低于打印速度和打印层高,且随着填充率的增加,A,B,A×B三个因素的显著性降低,这是由于随着填充率的增加,试样内部会形成更好的粘连效应,从而削弱了每层截面间粘连效应对试样总强度的影响。

表9 填充率为30%时的方差分析结果

表10 填充率为50%时的方差分析结果

从表4、表5、表6还可以看出,在打印填充率为20%、30%和50%的试验条件下,试样的抗拉强度随着打印速度和打印层高的增加均呈现出逐步降低的规律,这是由于过快的打印速度会导致试样在水平方向上的粘接力较弱,甚至出现拉丝等缺陷;较大的层高会导致试样在z方向上的粘接层数目减少,从而降低层与层之间的粘连效应,使得试件总体的强度降低。