于彥東 孟陳力

摘 要：采用熔融沉積快速成型（FDM）制造工藝，使用生物降解塑料聚乳酸（PLA）絲材制備出3D打印的啞鈴型試件，重點(diǎn)研究3D打印中的加工參數(shù)填充密度、層高度和填充路徑三個(gè)成型因素對FDM試件的機(jī)械性能、成型精度、成型時(shí)間以及成型成本產(chǎn)生的影響。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性處理與誤差分析，得出了在不同需求下的各參數(shù)匹配值，為優(yōu)化FDM成型工藝和提高成型件精度等方面提供有效參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：

FDM；填充密度；層高度；填充路徑

DOI：10.15938/j.jhust.2018.03.011

中圖分類號： TP311.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）03-0060-06

How the Filling Patterns Influence the Comprehensive

Performance on FDM Specimens Based on PLA Filament

YU Yan-dong， MENG Chen-li

（School of Material Science and Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China）

Abstract：Based on FDM rapid prototyping manufacturing，the plastic tensile specimen was formed by using the biodegradable polymers-poly anhydrides（PLA） filament.A comprehensive consideration that how the processing parameters of filling density，layer height and filling path affect the mechanical properties （tensile strength， elastic modulus，etc.）， forming precision， forming time and cost on the sample was made.By processing and analyzing the experimental data，it is concluded that the parameters was setting in the different needs of the matching value， which provide effective reference for the optimization of FDM process and improve the precision.

Keywords：FDM；infill%；layer height；infill pattern

0 引 言

熔融沉積快速成型（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）是快速成型技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的一種成型工藝技術(shù)。FDM成形技術(shù)之所以能得到快速發(fā)展，主要是因?yàn)樵摷夹g(shù)成本低廉，軟件開源，易于推廣[1]。但基于該技術(shù)在成型過程中會產(chǎn)生各種誤差，導(dǎo)致模型精度下降。因此，研究影響試件精度的因素尤為重要，其中影響精度的主要因素可歸納為硬件設(shè)備、加工材料、分層處理系統(tǒng)、環(huán)境溫度以及工藝參數(shù)這五大類[2]。文中針對加工參數(shù)中的填充密度、層高度和填充路徑這三個(gè)成型參數(shù)對試件抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率、彈性模量和屈服應(yīng)力的影響進(jìn)行試驗(yàn)和詳細(xì)分析，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的綜合比較，得出不同需求下的最佳工藝參數(shù)匹配值，對改善成型件質(zhì)量，節(jié)省打印成本具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

熔融沉積成型是用生物降解塑料聚乳酸 （PLA） 等熱熔材料通過擠出機(jī)被送進(jìn)可移動(dòng)加熱噴頭，在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制，沿著零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將半熔融狀態(tài)的材料按軟件分層數(shù)據(jù)控制的路徑擠出并沉積在可移動(dòng)平臺上凝固成形，與周圍的材料粘結(jié)，層層堆積成形[3]。本文中使用的打印材料為PLA絲材；試樣打印設(shè)備是：Makerbot Replicator 2X；并使用電子天平計(jì)量試樣重量；電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

試件是依據(jù) GB/T 1040.2-2006《塑料拉伸性能的測定》設(shè)計(jì)[4]，樣件形狀為啞鈴型，其尺寸和形狀如圖1所示。

拉伸試驗(yàn)是標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)樣件在靜態(tài)軸向拉伸力不斷作用下，以特定的拉伸速度拉至樣件斷裂，并在拉伸過程中連續(xù)記錄力與樣件的伸長量，從而求出其強(qiáng)度判據(jù)和塑性判據(jù)的力學(xué)性能試驗(yàn)[5]。利用拉伸試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可以對材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷裂伸長率和彈性模量做出評價(jià)。本研究中利用WDW-10型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對不同因素下得到的試驗(yàn)樣件分別做拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)的拉伸速度為2mm/min；抗拉強(qiáng)度σb是由試驗(yàn)測得的平均最大拉力Fb除以試件的橫截面積經(jīng)計(jì)算得出。

1）填充密度對試件的影響試驗(yàn)。

在60mm/s的填充速度、210℃的成型溫度、直線填充路徑等相同條件下，以10%、30%、50%、70%、90%、100%的填充密度分別打印試件，為確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每種填充率下均制備3個(gè)試件，共18組，并分別做出標(biāo)記，成型模型如圖2（a）所示。

2）層高度對試件的影響試驗(yàn)。

在60mm/s的填充速度、210℃的成型溫度、直線填充路徑等相同條件下，以0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm的層高度分別打印三組試件，共15組。

3）填充路徑對試件的影響試驗(yàn)。

在60mm/s的填充速度、210℃的成型溫度等相同條件下，以直線、對角和六角的填充路徑分別打印三組樣件，共9組樣件。不同填充路徑成型的試件如圖2（b）所示。

對不同因素下的三組試件的試驗(yàn)結(jié)果均取平均值，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，將試驗(yàn)結(jié)果與注塑方式下用PLA材料做的拉伸試驗(yàn)結(jié)果（如表1所示）進(jìn)行對比。

1）不同填充密度下的試驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖3所示為在不同填充密度下，各參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。其中抗拉強(qiáng)度的結(jié)果與我們的設(shè)想是吻合的，試件的抗拉強(qiáng)度（圖3（a））從填充密度為10%的10MPa增加到填充密度為100%時(shí)的46MPa，這種增長并非單純呈現(xiàn)正比例形式，填充密度在50%～90%之間的增長速度比填充密度在10%～50%之間時(shí)快。雖然填充密度越大，抗拉強(qiáng)度也越強(qiáng)，但是增大填充密度就意味著使用更多的成型材料，即增加了成本，同時(shí)，打印時(shí)間也會相應(yīng)延長（圖3（e））。從抗拉強(qiáng)度/時(shí)間和抗拉強(qiáng)度/重量的比率曲線（圖3（f））可以看出，顯然，填充密度在30%～50%之間，材料使用量和打印時(shí)間上比率都是最低的，這個(gè)范圍是不理想的。

斷裂伸長率的試驗(yàn)結(jié)果并不符合試驗(yàn)前的假設(shè)。斷裂伸長率的數(shù)值基本保持在2.8%左右，但是，在填充密度為90%時(shí)，斷裂伸長率的數(shù)值驟減到2.0%。為了排除試驗(yàn)中由于人為因素導(dǎo)致的錯(cuò)誤，特別驗(yàn)證了在填充密度分別為80%、90%和100%時(shí)樣件的斷裂伸長率，結(jié)果在90%時(shí)的斷裂伸長率依舊明顯低于其他值，因此排除了試驗(yàn)數(shù)據(jù)不可靠的可能。針對試驗(yàn)結(jié)果，做出如下分析：填充密度在80%以下時(shí)，由FDM成型機(jī)噴頭擠出的PLA細(xì)絲構(gòu)成的每層結(jié)構(gòu)在樣件軸向上并不會接觸或者重疊，存在清晰的間隙，因此在拉伸時(shí)，平行細(xì)絲在斷裂之前均可以伸長相同的長度，此時(shí)，填充密度并沒有起明顯的影響；當(dāng)填充密度在90%附近時(shí)，噴頭擠出的細(xì)絲與細(xì)絲之間會發(fā)生接觸甚至重疊現(xiàn)象，導(dǎo)致細(xì)絲與細(xì)絲之間并沒有保持一種平行關(guān)系，而是存在一定（10%）的孔洞或者間隙，這些孔洞和間隙在拉伸過程中就變成了薄弱區(qū)域，從而導(dǎo)致斷裂伸長率驟減；當(dāng)填充密度達(dá)到100%時(shí)，細(xì)絲與細(xì)絲之間是完全接觸的，幾乎不存在填充密度為90%時(shí)的小空洞和小間隙，在拉伸過程中，整個(gè)樣件像是一個(gè)整體，所以此時(shí)存在較高的斷裂伸長率。

屈服強(qiáng)度（圖3（c））從填充密度為10%時(shí)的8MPa增加到填充密度為90%時(shí)的28MPa，在填充密度為100%時(shí)又減小到23MPa。事實(shí)上，填充密度為90%時(shí)的屈服強(qiáng)度高于填充密度為100%時(shí)的填充密度的結(jié)果是與斷裂伸長率的分析是對應(yīng)的，在宏觀層面上，填充密度為90%時(shí)的應(yīng)力主要集中在空洞和間隙附近，帶來了較高的屈服強(qiáng)度。圖3（d）所示彈性模量與填充密度之間為正線性相關(guān)關(guān)系。

為了更加清晰的顯示不同填充密度下的抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長率的關(guān)系，如圖3（g）所示有不同填充密度下的斷裂伸長率的與抗拉強(qiáng)度的增長趨勢與相應(yīng)值的區(qū)間。填充密度為90%時(shí)的斷裂伸長率的值最小，抗拉強(qiáng)度隨填充密度增大而增大。

2）層高度的試驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖4所示為不同層高度下，各參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。

當(dāng)層高度較小時(shí)，會削弱試件的抗拉強(qiáng)度。這是由于層高度較小時(shí)，會相應(yīng)增加層與層之間粘結(jié)的數(shù)量，這種粘結(jié)是使抗拉強(qiáng)度減小的主要原因。如圖4（a），當(dāng)層高度為0.1mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度只有29MPa，層高度為0.2mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度增加到35MPa，增長速度為21%。當(dāng)繼續(xù)增加層高度時(shí)，抗拉強(qiáng)度沒有顯著變化，保持在36MPa附近。如圖4（e）所示，抗拉強(qiáng)度/重量比率曲線比較平緩，從層高為0.1mm的4.7MPa/g變化到層高為0.3mm時(shí)的5.6MPa/g。在理論上，這條比率曲線應(yīng)該是一條水平直線，因?yàn)楣潭ǖ奶畛涿芏葧?yīng)固定的打印耗材，與打印層高度無關(guān)?？估瓘?qiáng)度/時(shí)間的曲線變化趨勢是與理論相對應(yīng)的，層高度值較小會延長打印時(shí)間。

斷裂伸長率（如圖4（b））與層高度呈正線性增長關(guān)系。彈性模量（如圖4（d））保持在2.9GPa附近，這個(gè)值在如表1所示中注塑條件下測得的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。同樣，屈服強(qiáng)度也基本保持在19MPa，這個(gè)值也是合理的。

如圖（g）所示為抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率在不同層高度下的變化趨勢與相應(yīng)值。斷裂伸長率隨層高度變化呈線性增加，從2.1%增加到3.0%。

3）填充路徑的試驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖5所示為不同填充路徑下的抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長率的試驗(yàn)結(jié)果。顯然，直線方式的填充路徑在抗拉強(qiáng)度高于對角和六角的填充路徑，但存在一個(gè)較大的誤差。綜合斷裂伸長率的結(jié)果，填充路徑為對角時(shí)為2.5%。所以對角形式的填充路徑較為理想。

綜合以上對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得到如表2所示的參數(shù)設(shè)置，供實(shí)際應(yīng)用中借鑒。即對熔融沉積成型件有單項(xiàng)需求、兩項(xiàng)需求、三項(xiàng)需求、四項(xiàng)需求下填充密度與層高度的不同匹配值的選擇。

3 結(jié) 論

1）采用FDM制造工藝，PLA絲材制備出3D打印的啞鈴形試件時(shí)，填充密度為90%時(shí)出現(xiàn)了最小的斷裂伸長率，即并非填充密度越大成型件機(jī)械性能越好。

2）層高度的變化不會改變成型件對材料的使用量，另外，較小的層高度會削弱抗拉強(qiáng)度。對角形式的填充路徑下，成型件具有最佳的機(jī)械性能。

3）當(dāng)FDM試件對強(qiáng)度、質(zhì)量、成本和3D打印速度都有要求時(shí)，填充密度為70%，層高度為0.2mm是最佳的匹配值。

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