3D打印参数对制品层间黏结性能的影响

喻 红，杨孟茹，吴 悠，姚京京，史宝璐，李小强，胡 晶

(北京工商大学材料与机械工程学院，塑料卫生与安全质量评价技术北京市重点实验室，北京 100048)

0 前言

以热塑性塑料为原料，采用FDM[1-3]工艺，可以实现各种形状复杂原型的三维(3D)打印[4-6]，由于操作简单、材料价格适中等优点，该方法率先得到了桌面化应用。FDM技术是将丝状材料挤入喷头内加热至熔点以上，按照设定好的分层及成型路径，在控制系统驱动下，将材料逐层堆积成与模型形状一致的实体的过程[7]。而3D打印成品的力学性能，则是决定该技术能否代替注塑工艺进而推广应用的关键指标[8]。

目前许多学者对FDM加工工艺参数对制品力学性能的影响进行了研究，Ziemian等[9]针对ABS丝料研究了填充角度对制品断裂拉伸强度及疲劳性能的影响；Galantucci等[10]分析了层高、打印速度等工艺参数对制品表面粗糙度的影响；迟百宏等[11]通过对比ABS及PLA耗材，研究了构建取向对制品力学性能的影响，并与注塑试样进行了对比。有学者研究了3D打印的 PLA材料，认为PLA 材料是脆性的并且在弹性阶段呈各向异性[12]，但在使用模拟手段研究其打印性能时，为建模方便，也可以将其当作各向同性的材料来建模[13]22。3D打印制品的力学性能与成型时丝材间的层间黏结性能有关[14]，打印过程中所出现的断层、开裂、翘曲等问题都与丝材之间的黏结强度有关，而丝材的黏结强度又与走丝路径、层高、喷头温度等工艺参数密切相关。但是受到实验条件的限制，丝材的黏结情况很难实时判断，目前多采用模拟的方法进行研究分析[13]2[15]。

本文使用桌面3D打印机制备不同材料、不同实验参数的拉伸和冲击试样，依据拉伸和冲击实验结果，分析材料、层高、喷头温度等参数对制品层间黏结情况的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

ABS，3D打印线，B-501-01，北京殷华激光快速成型与模具技术有限公司；

PLA，3D打印线，1.75 mm，浙江闪铸三维科技有限公司。

1.2 主要设备及仪器

桌面3D打印机，Creater Pro，浙江闪铸三维科技有限公司；

组合式数显冲击试验机，XJZ-50，承德试验机有限责任公司；

微机控制电子万能试验机，CMT6104，深圳市新三星计量技术有限公司；

扫描电子显微镜(SEM)，Quanta FEG2500，美国FEI公司。

1.3 样品制备

根据GB/T 1040.2—2006确定拉伸试样的基本尺寸，采用Pro/E软件绘制3D模型，并转为STL切片数据格式，然后导入机器自带的工艺控制软件中设置打印参数以形成3D打印模型包；打印试样的填充角度如图1所示；

图1 试样的填充角度示意图Fig.1 Fill angle diagram of the specimen

前期实验发现，对于该打印机型，当平台温度低于100 ℃时，打印模型首层不能牢固粘住平台，无法顺利打印，故本实验固定平台温度为105 ℃，制品填充密度为100 %；打印ABS试样的喷头温度变化范围为215～230 ℃，PLA试样喷头的温度变化范围为175～195 ℃，试样打印的层高变化范围均为0.05～0.25 mm。

1.4 性能测试与结构表征

拉伸性能按GB/T 1040.2—2006测试，室温，拉伸速率为4 mm/min；

冲击强度按GB/T 1843—1996测试，室温，无缺口样条，摆锤能量为2.0 J；

SEM分析:样品在液氮中脆断后，对断面进行喷金处理，在10 kV电压下进行扫描，通过SEM观察其断裂面形貌以及丝材之间的黏结状态。

2 结果与讨论

2.1 层高对黏结性能的影响

材料是3D打印的基础，决定了成型工艺和成型件的性能。ABS树脂是目前使用最多的成型材料，具有强度高、韧性好、耐冲击等优点，但在打印时易出现模型冷却过程中由热应力所引起的翘曲变形。另外，PLA是一种可生物降解的环保材料，也是 FDM成型中常用的材料之一。为了对比2种材料3D打印成型时的层间黏结情况，在保持打印喷头温度为220 ℃、平台温度为105 ℃、填充密度为100 %不变的条件下，分别设定打印层高为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mm，分别研究打印层高对ABS和PLA试样拉伸强度、断裂伸长率及表面品质的影响。打印试样的脆断断口形貌如图2所示，可以看出，ABS和PLA试样均随层高的增加，丝材间的黏结状况逐渐下降。当PLA的层高为0.05 mm时，断面光滑，各层丝材黏结紧密，几乎没有孔隙，随着打印层高的增加，断面层间孔隙逐渐增大，丝材黏结面积明显减小。

试样类型，层高/mm：(a)ABS，0.1 (b)ABS，0.15 (c)ABS，0.2 (d)PLA，0.05 (e)PLA，0.2 (f)PLA，0.25图2 ABS和PLA打印试样脆断口的SEM照片Fig.2 SEM of wetting-off cross-sectionalof ABS and PLA samples

(a)拉伸强度和断裂伸长率 (b)冲击强度图3 不同层高对ABS试样力学性能的影响Fig.3 Effect of different stratum height on mechanical properties of ABS sample

层高对ABS试样力学性能的影响如图3所示。由图3(a)可知，随着层高的增加，试样的拉伸强度下降，断裂伸长率上升，表明此阶段样条的抗拉能力减弱，而韧性增强。层高的增加使丝状材加粗，从而增强了材料的韧性，但层高增加，同时也减小了丝状材之间的接触面积，致使试样间的黏结性能下降，所以拉伸强度也会随之下降，与SEM的结果一致。当层高继续增加时，丝材增粗对试样拉伸性能的提高起到了主要影响作用，故试样的拉伸强度会重新有所提高。

由图3(b)可知，随着层高的增加，打印材料的冲击强度总体呈下降的趋势，这也是由于随着打印丝材的加粗，致使接触面积减小，从而导致试样的黏结性能下降，继而导致冲击强度下降。此外45 °的填充面使丝材受力不均，其基本沿着状材呈45 °方向断裂。

层高变化对PLA试样性能的影响如图4所示。随着层高的增加，PLA试样的拉伸强度下降，表明此阶段样条的抗拉能力减弱，其变化规律与ABS材料基本一致；但断裂伸长率的变化与ABS不同，PLA材料的3D打印试样，随着层高的增加，断裂伸长率降低，丝材的增粗并未起到增韧的效果，主要是与PLA材料本身脆性较高，韧性较差有关。试样打印层高的减小，在试样的各个方向上均有利于形成致密的结构，并且有利于增加打印丝之间的结合力，从而有利于提高试样的力学性能[16]。ABS的拉伸强度最高可达30 MPa，PLA试样的拉伸强度基本分布在0.75～1 MPa之间，说明试样的力学性能主要受材料本身性能的影响，力学性能优异的材料是3D打印技术工程应用的基础。

图4 不同层高对PLA试样力学性能的影响Fig.4 Effect of different storey on the mechanical properties of PLA samples

2.2 喷头温度对试样力学性能的影响

3D打印机工作时，喷头内部的打印材料是由固态转变为液态的一个热传递的过程，喷头温度的控制决定了打印材料的黏结性、流动性。其不仅影响打印精度，也影响打印过程的连续性，更直接影响3D打印产品的品质，因此喷头的温度控制尤为重要。对于层高为0.2 mm的试样，温度对ABS和PLA试样拉伸强度及断裂伸长率的影响如图5所示。

由图5可知，随着喷头温度的升高，试样的拉伸强度和断裂伸长率逐渐上升，即材料的拉伸性能及韧性均随喷头温度的上升而增强。在本实验研究的温度范围内，熔体温度越高，试样的力学性能越好。根据分子热扩散理论，温度越高，分子链缠绕越多，丝材黏结情况越好，力学性能越高。在打印温度较低时，丝材在经过喷嘴时熔融状态较差，熔体黏度较高，在熔融堆积过程中，层与层之间的黏结效果较差，因此，升高打印温度有利于层与层之间的黏合，从而提高试样的拉伸强度和断裂伸长率。

(a)ABS (b)PLA图5 喷头温度对试样力学性能的影响Fig.5 Effect of sprayer temperature on mechanical properties of the specimen

2.3 退火对试样力学性能的影响

为分析退火处理对3D打印试样力学性能的影响，对之前得到的ABS和PLA试样均采用烘箱温度为65 ℃、保温6 h、自然冷却的方法对样条进行退火处理，得到试样退火前后的拉伸性能对比如图6所示。

1—退火前ABS的拉伸强度 2—退火后ABS的拉伸强度 3—退火后ABS的断裂伸长率 4—退火前ABS的断裂伸长率 5—退火前PLA的断裂伸长率 6—退火后PLA的断裂伸长率 7—退火前PLA的拉伸强度 8—退火后PLA的拉伸强度(a)ABS (b)PLA图6 ABS和PLA试样退火前后力学性能的变化Fig.6 Changes of mechanical properties of ABS and PLA specimen before and after annealing

由图6(a)可知，ABS试样在退火前后的拉伸性能及韧性变化趋势一致。试样的拉伸强度和断裂伸长率在退火后均有提高，且趋于稳定状态。由于试件打印成形过程中的冷却速度过快，在沿填充路径方向会产生残余应力，在试件的长度和宽度方向产生残余应力分量[17]。残余应力的存在削弱了试件的最大拉伸应力，增大了试件在小应力范围内断裂的可能。而热处理作用使试样软化，残余应力得到释放，层与层之间的黏结状况得到改善。

PLA试样的拉伸强度和断裂伸长率在退火后均呈现降低的趋势。PLA材料在该温度下发生玻璃化转变，由于温度相对较低，未达到链段运动的能量[18]，此时PLA材料会产生较小的形变，从而使试样弯曲变形的情况加剧，层与层之间有分离的趋势，致使PLA试样的拉伸强度和断裂伸长率下降。在相同的退火温度下，ABS退火后的拉伸强度和断裂伸长率上升，而PLA的性能却下降，充分显现了材料本身结构性能对退火处理结果的影响。

3 结论

(1) 3D打印试样的力学性能与制品的层间黏结强度有关，层高变化对PLA试样黏结性能的影响基本与ABS保持一致，即随着层高增加，丝材间的接触面积变小，层与层之间的黏结性能下降，力学性能变差；

(2)打印材料的黏结强度与喷头的温度有关，喷头温度越高，材料经过喷嘴处的熔融状态，层与层之间的黏结力就越大，接触面间的黏结性能就越好，因此，在加工范围内提高温度有助于提高PLA和ABS试样的力学性能；

(3)试样退火后的力学性能与材料密切相关，ABS样条退火后样条去除了大量的残余应力，试样的力学性能呈现稳定的状态，层与层之间的黏结力改善；PLA样条退火后样条翘曲、变形及开裂的现象加剧，拉伸强度和韧性下降。

参考文献：

[1] 李 静. 光固化快速成型技术的控制原理及应用[J].现代塑料加工应用, 2002, 14(4): 15-16.

LI J. Control Principle and Application of Rapid Prototyping Technology of Light Curing[J]. Modern Plastics Processing and Applications, 2002, 14 (4): 15-16.

[2] 杨 森，钟敏霖，张庆茂，等. 激光快速成型金属零件的新方法[J].激光技术， 2011，25(4): 254-257.

YANG S, ZHONG M L, ZHANG Q M, et al. A New Method of Laser Rapid Prototyping of Metal Parts[J]. Laser Technology, 2011, 25 (4): 254-257.

[3] 谭永生. FDM快速成型技术及其应用[J].航空制造技术，2000 (1): 26-28.

TAN Y S. FDM Rapid Prototyping Technology and Its Application[J]. Aeronautical Manufacturing Technology,2000 (1): 26-28.

[4] HAFSA M N, WAHAB M S, ZAHID M S, et al. Evaluation of FDM Pattern with ABS and PLA Material[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 465(3): 55-59.

[5] NOVAKOVA-MARCINCINOVA L, Kuric I. Basicand Advanced Material for Fused Deposition Modeling Rapid Prototyping Technology[J]. Manuf and Ind Eng, 2012, 11(1): 24-27.

[6] MELNIKOVA R, EHRMANN A, FINSTERBUSCH K. 3D Printing of Textile-based Structures by Fused Deposition Modelling (FDM) with Different Polymer Materials[J]. Materials Science and Engineering, 2012, 62(1): 12-18.

[7] 王 位，陆亚林，杨卓如. 三维快速成型打印机成型材料[J].铸造技术， 2001，33(1): 103-106.

WANG W, LU Y L, YANG Z R. Three-dimensional Rapid Prototyping Printer Molding Material[J]. Foundry Technology, 2001, 33 (1): 103-106.

[8] 李 港，王 璠. 3D打印成型的尼龙11力学性能变化及先进测试方法[J]. 塑料工业，2016， 44(12): 118-124.

LI G, WANG F. Analysis of Mechanical Properties and Advanced Testing Methods of Nylon 11 Fabricated by 3D Printing[J]. Plastics Industry, 2016, 44 (12): 118-124.

[9] ZIEMIAN S, OKWARA M, ZIEMIAN C W, et al. Tensile and Fatigue Behavior of Layered Acrylonitrile Butadiene Styrene[J]. Rapid Prototyping Journal, 2015, 21(3): 270-278.

[10] GALANTUCCI L M, BODI I, KACANI J, et al. Analysis of Dimensional Performance for A 3D Open-source Printer Based on Fused Deposition Modeling Technique[J]. Procedia Cirp, 2015, 97(4): 82-87.

[11] 迟百宏，解利杨，高晓东，等. FDM工艺中构建取向对塑料制品力学性能的影响[J].塑料，2015，44(4): 40-42.

CHI B H, XIE L Y, GAO X D, et al. Effects of Buil-ding Orientation in FDM Process on Mechanical Properties of Plastic Products[J]. Plastic, 2015, 44 (4): 40-42.

[12] 付 远， 程香平，万珍珍，等. XFEM计算3D打印PLA材料拉伸试样的裂纹扩展[J].塑性工程学报，2016，23(2): 136-142.

FU Y, CHENG X P, WAN Z Z, et al. Crack Propagation of PLA 3D Printing Stretching Specimen by Means of XFEM[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2016, 23(2): 136-142.

[13] 张 博. 成年人腰椎三维动力学模型设计与性能分析的基础研究[D].北京: 北京化工大学，2014.

[14] 葛 杰，马荣全，苗冬梅，等. 3D打印建筑材料层间粘结性能试验研究[J].建筑结构，2017，47(4): 49-53.

GE J, MA R Q, MIAO D M, et al. Experimental Study on Interlayer Bonding Properties of 3D Printed Building Materials[J]. Building Structure, 2017,47 (4): 49-53.

[15] 王成硕，贺建芸，迟百宏，等. 熔体微滴堆叠成形温度场模拟与实验分析[J].塑料，2017，46(2): 30-33.

WANG C S, HE J Y, CHI B H, et al. Simulation and Experimental Analysis of Temperature Field of Melt Droplet Stack Forming[J]. Plastics, 2017, 46 (2): 30-33.

[16] 于国庆，毕 超. 3D打印参数对聚乳酸试样拉伸性能的影响[J].中国塑料，2017，31(11): 125-129.

YU G Q, BI C. Effects of 3D Printing Parameters on Tensile Properties of PLA Samples[J]. China Plastics, 2017, 31(11): 125-129.

[17] 刘晓军，迟百宏，王成硕，等. 热处理工艺对3D打印PLA试件力学性能的影响[J].塑料，2017，46(2): 40-42.

LIU X J, CHI B H, WANG C S, et al. Effect of Heat Treatment Process on Mechanical Properties of 3D Printed PLA Specimens[J]. Plastics, 2017, 46 (2): 40-42.

[18] 程燕婷，孟家光. 3D打印材料柔性PLA基本性能表征[J].纺织导报，2017 (11): 109-111.

CHENG Y T, MENG J G. A Basic Characterization of Flexible PLA for 3D Printed Materials[J]. Rubber Review, 2017 (11): 109-111.