不同因素对FDM成型件机械性能的影响研究

单琪深 王春洋 齐航

摘 要：试验采用熔融沉积快速成型（FDM）制造工艺制备了成型件，并研究了不同放置方向（横放、竖放、侧放）和不同光栅角度（0°、15°、30°、45°、90°）这两种因素对同种材料成型试件的机械性能的影响。通过拉伸和弯曲试验，绘制出各试验样件的应力-应变曲线图，并计算得出了相应的弹性模量与抗压、抗拉强度，分析得出拉应力对材料性能的影响要大于切应力。拉伸与弯曲载荷下，侧放的材料表现出的力学性能与整体稳定性要强于竖放与横放。拉伸与弯曲试验均表明采用FDM制造工艺制备的成型件最佳的放置方式和光栅角度为侧放/30°方向。

关键词：熔融沉积;机械性能;放置方向;光栅角度

中图分类号：TH164文献标识码：B

3D打印技术近年来飞速发展，增材制造已经成为我们生活中不可或缺的制造技术，其中FDM（Fused Deposition Modeling）、SLA（Stereo Lithography Apparatus）等最为常见。FDM也因为其成本低廉、软件开源等原因被广泛应用。因此，在如何提高FDM产品性能也是近年来对于3D打印零件研究的热点和难点[1]。现多数以研究分层厚度、成型方向以及光栅间隙等因素[2]对打印零件的影响为主，本文针对打印件放置方式、光栅角度进行研究，采用这两个参数的组合对设计的试件进行试验，并分析其抗拉强度和抗弯强度以及正应力和切应力对拉伸强度的影响因素，得出了最佳的组合参数，以期为今后在实际生产过程中提供参考。

1 实验的原料和方法

1.1 主要原料和设备

聚乳酸（PLA）线材：直径1.75mm，兰博公司;

试样的打印设备：JennyPrinter 2（成型尺寸为230×225×360mm，Jenny公司）桌面型3D打印机;

拉伸和弯曲试验机：Instron5969电子万能试验机。

1.2 试件的成型参数

层厚为0.1mm、喷头温度为220℃、内部填充率100%、喷头移动速度为60mm/s，且层与层之间均为交错填充[3]。

1.3 试件的制备和力学性能测试

试验样件除放置方式以及填充角度外均为定值参数，其中试验样件放置方式分为横放、侧放和竖放三种，填充角度选取为0°、15°（-75°）、30°（-60°）、45°（-45°）和90°，共15种组合。如图1所示。为保证实验的准确性，拉伸试验和弯曲试验中每种组合均制备5个试件，每个试验共75个试件分别标记。

拉伸试验。本试验中利用Instron5969电子万能试验机对不同试验样件作拉伸试验，试验的拉伸速度为10mm/min;抗拉强度σb是由于试验测得的最大拉力Fb除以试件的横截面积计算得出。拉伸试验的试件依据GB/T 1040.2-2006《塑料拉伸性能的测定》[4]设计。每组测试5个试件取平均值。

2 实验结果与分析

拉伸试验的结果与分析：

对制备的材料进行拉伸试验，并绘制出拉伸应力-应变曲线图。通过曲线可以发现这15种材料均有三种变形方式，即初始阶段小范围的弹性部分，中间较大范围的塑性阶段以及出现峰值应力后的破坏阶段，计算的结果如表1所示。首先分析横放时五种角度材料的应力应变，除90°方向的材料外，其余四种材料的应变均已经超过了1，这表明这四种方向的材料有很好的塑性性能，究其原因，发现90°方向的拉伸试样，其内部纤维打印方向与两端受力方向垂直。在此种情况下，抵抗外部拉应力主要靠内部丝材层与层之间的粘结强度，因此，该纤维方向拉伸件抗拉强度较弱，材料完全被拉断而无剪切作用。通过分析0°、15°、30°、45°方向的曲线发现峰值应力均超过了45MPa，0°方向的应力最高，可以达到60.9MPa，这是因为在此方向上，材料受到拉伸载荷作用时承受力的为纤维而不是层与层间的粘结力，纤维承受的力载荷要远远大于粘结力，材料被拉断。45°方向时，材料受拉伸作用，此时作用在材料界面上的拉应力与切应力各占一半，材料出现的断裂为拉剪断裂。同理，15°与30°方向，当受到拉伸作用时，界面上也会受到拉伸与剪切的共同作用，只是角度大小不同则受到的剪切力也不相同。理论上分析可知，对于15°、30°、45°三个方向而言，随着角度的增加材料会受到更大的载荷，承载能力会变弱，结合试验可得，三个角度增大，峰值应力会逐渐减小，拉应力的作用要远远大于切应力的影响，符合理论分析。

观察侧放的5组数据，发现5组材料的力学性能较为相似，均有弹性阶段，较广范围的塑性阶段以及超过最大应力后的破坏阶段。且有效应变均超过了2.2，应力值均可到达55MPa，之所以5种材料性能差别不大是因为侧放放置时，在Y方向打印，由于本试验件在Y向上的尺寸较小，宏观来看，制备的材料较为细密、密度较为均匀，不同于横向放置时斜纹明显这一特点，因此制备的5种材料力学性能较为相似。

同样，在竖放放置下，5种材料的力学性能也不会相差很大，其原因在于，在X方向打印，由于本试验件在X向上的尺寸较小，宏观来看，很难有较大斜纹方向，因此制备的5种材料力学性能较为相似。

对比三种放置方式，整体而言，力学性能最优的方式为侧放，此种放置方式不仅塑性性能好，且应力值最大。结合图表内容，发现在填充角度30°时，拉伸样件均能够获得较大的拉伸应力。由于在光栅角度为30°时，拉应力和切应力的大小不同，同时也就可以得到拉应力和切应力对拉伸强度的影响因子不同，其中拉应力对于拉伸强度的影响因子明显高于切应力。同时，从图中还可以看出，拉伸件的断裂伸长率由侧放、横放和竖放依次减小。也就是说侧放的抗撕裂能力最强，最不容易被拉断，也论证了试样侧放是能够使样件获得最佳拉伸应力的放置方式这一结论。

拉伸试验部分结果如下表所示。

3 结语

通过对试验对打印样件的研究分析，使用PLA材料、FDM制造工艺制备出的3D打印标准试验件，随着光栅角度的增大，拉伸先增大后减小，光栅角度为30°时拉伸极限应力最大。针对最佳的光栅角度分析拉伸及弯曲正应力和切应力，得到正应力对拉伸强度的影响大于切应力。在FDM制备的PLA试件对拉伸和弯曲强度条件有要求时，在填充率、打印速度、层高等不变的情况下，选用侧放30°的方式打印效果最佳。

参考文献：

[1]曹師增，刘元义，宋发成，孙伯乾.基于矩阵分析法的FDM样件翘曲变形参数优化研究[J].山东理工大学学报（自然科学版），2018，32（04）：61-64.

[2]葛庆，汪崟.3D打印工艺参数对塑料产品质量的影响[J].工程塑料应用，2017，45（12）：126-129.

[3]中华人民共和国质检总局.GB/T 1040.2-2006，塑料拉伸性能的测定[S].北京：中国标准出版社，2006.

[4]刘亚，何冰，陈鹏飞，赵海超，薄夫祥.FDM 快速成型工艺对成型件力学性能的影响[J].中国塑料，2017，31（04）：75-80.