于小健，錢善華，2，董淑宏，2，程峰，2，卞達，2，姚瑾

(1.江南大學機械工程學院，江蘇無錫 214122； 2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇無錫 214122)

3D打印技術是基于平面離散和堆積成型原理，借助于計算機輔助設計(CAD)的一種“自下而上”的增材制造方法，它以離散可粘合材料(如粉末狀金屬或塑料等)為耗材，通過逐層打印和堆積疊加方式來構(gòu)造三維實體[1]。其中熔融沉積成型(FDM)是目前較為成熟的3D打印增材制造技術之一，其具有設備簡單、成本低廉、操作便捷和效率高等優(yōu)勢，廣泛應用于機械、醫(yī)療、汽車和建筑等領域[2–3]。工業(yè)上可用于FDM 3D打印成型的熱塑性塑料有聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)和尼龍等，其中PLA 因具可降解性、環(huán)保無毒性，是FDM成型最常用的3D打印材料[4]。但與傳統(tǒng)注塑件相比，3D打印成型的PLA制件因表面粗糙、尺寸精度和力學性能差致其工程應用還存在一定的局限性。

為了滿足個性化需求并拓展3D打印技術應用，如何完善并提高FDM 3D打印PLA制件的力學性能成為學術界的研究熱點。實踐發(fā)現(xiàn)，除原材料本身屬性外，成型工藝參數(shù)對3D打印制品質(zhì)量和性能也存在較大影響。工藝參數(shù)設置的不同，打印出的模型質(zhì)量與力學性能也不盡不同[5]。國內(nèi)外學術界在提高FDM 3D打印制件力學性能方面做了廣泛的研究，并取得了諸多成果。如Chacon等[6]研究了不同打印堆疊方式對3D打印制件力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)沿水平方向堆疊其力學性能最好，側(cè)邊方向和垂直方向性能依次降低。Tian等[7]研究了不同打印溫度下3D打印連續(xù)碳纖維增強PLA復合材料的力學性能，發(fā)現(xiàn)打印溫度偏低時復合材料界面性能較差、彎曲強度偏低，但隨著打印溫度的提升，材料界面性能改善明顯，在240℃時彎曲強度可提高至155 MPa。Hu等[8]研究不同3D打印工藝參數(shù)影響時發(fā)現(xiàn)層高對復合材料彎曲性能的影響最為顯著，且隨著打印層高的減小，復合材料的彎曲強度和彎曲彈性模量最高可達到610 MPa和40 GPa。

3D打印速度為打印機噴嘴相對于打印基板的移動速度，包括外殼速度、填充速度和空走速度。外殼速度對打印件表面質(zhì)量有著決定性作用，填充速度影響著絲材及鋪層間粘結(jié)程度的好壞，而空走速度對打印時間長短有重要影響。一般情況下，空走速度相對最快，填充速度次之，外殼速度最慢。但多數(shù)研究常將三者混為一談或區(qū)分不明顯[9–10]?；诖?，筆者以FDM 3D打印工藝中“打印速度”為研究變量，探究外殼速度對打印制件表面質(zhì)量的影響及填充速度對制件力學性能的影響規(guī)律，并對其影響機制進行分析和探討，旨在獲得最適宜的外殼速度和填充速度，為3D打印設備調(diào)試和工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)和技術支持。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

PLA絲材：卷絲，直徑為1.75 mm，密度為1 210 kg/m3，深圳市極光爾沃科技股份有限公司。

1.2 主要設備及儀器

FDM桌面打印機：MakerBot Replicator Z18型，美國MakerBot有限公司；

電子萬能試驗機：WDW-100KN型，深圳三思縱橫科技股份有限公司；白光干涉形貌儀：MFP-D型，美國RTEC公司；掃描電子顯微鏡(SEM)：EVO18型，德國卡爾蔡司公司；

電子數(shù)顯卡尺：0～200 mm，成都成量工具集團有限公司。

1.3 試樣制備

利用Solid Works三維建模軟件繪制3D打印試樣，拉伸和壓縮試樣分別參照GB/T 1040.2–2006和GB/G 1041–2008標準，試樣尺寸細節(jié)如圖1所示。將試樣模型以STL格式導出，使用MakerBot Print軟件先對模型進行切片處理和打印參數(shù)的設置，再生成Gcode文件傳送至打印機進行試樣打印。表面質(zhì)量試樣外殼速度設置為20，30，40，50，60 mm/s，填充速度為110 mm/s；力學性能試樣填充速度設置為70，90，110，130，150 mm/s，外殼速度為40 mm/s。打印機其他參數(shù)均設置一致，如打印溫度為210℃，填充率為100%，打印層高為0.2 mm，打印空走速度為150 mm/s，填充方式為直線型且其角度為0°/90°。

圖1 試樣尺寸

1.4 性能測試

利用白光干涉形貌儀觀測PLA試樣表面三維形貌，并測量表面粗糙度，精度為0.1 nm；

利用電子數(shù)顯卡尺測量樣品同方向(X或Y)尺寸5次，計算均值作為實際測量結(jié)果，精度為0.01 mm，并取實際測量尺寸與理論設計尺寸偏差絕對值作為尺寸精度評價標準；

采用位移加載模式，利用電子萬能試驗機測試樣品拉伸和壓縮性能，測試3次后結(jié)果取均值，且拉伸和壓縮速率分別設置為5 mm/min和2 mm/min；

截取試樣并噴金后，利用SEM觀察其截面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 外殼速度對PLA制件表面質(zhì)量影響

圖2為不同外殼速度下的PLA制件表面三維微觀形貌輪廓圖。從圖2可以看出，PLA制件表面輪廓整體形貌起伏不定，主要由規(guī)則且均勻分布的波峰和波谷組成。外殼速度較慢時(圖2a)，制件表面三維形貌以平臺為主，其上分布著細小的粗糙峰，波峰高度為0.3 mm，而波谷數(shù)量少且輪廓不明顯，其深度為0.14 mm，峰頂與谷底之間距離僅為0.16 mm，表明制件表面較為光滑，粗糙度小。隨著速度的增加且適中時(圖2b)，PLA制件表面波峰和波谷整體分布均勻、階梯效應明顯，且峰頂平坦又寬闊，其高度逐漸降低，僅為0.2 mm；同時波谷光滑狹窄，其邊緣具有極高的直線度，深度亦下降明顯，峰頂與谷底之間距離為0.18 mm。速度較快時(圖2c)，PLA制件表面呈瘦高型波峰和粗糙矮寬型波谷形貌，峰高和谷深變幅較大，其峰頂高度升為0.27 mm，谷底深度降為-0.12 mm，峰頂與谷底之間距離增至0.39 mm。

圖2 不同外殼速度下的PLA制件表面三維微觀形貌

圖3為不同外殼速度下PLA制件的二維表面形貌。圖3中白色條紋為PLA絲材，對應圖2中的波峰，黑色為絲材間隙，對應圖2中的波谷。外殼速度較慢時(圖3a)，絲材模糊且間隙界線不明顯，說明制件表面相鄰絲材有擠壓粘結(jié)、堆積和搭接現(xiàn)象。速度適中時(圖3b)，豎直方向上絲材階梯效應明顯，制件表面紋理和結(jié)構(gòu)明晰可見，表面均勻度和平整度上升，表明打印時出絲順暢；且絲材與間隙分布均勻、排列緊密，表觀質(zhì)量好。而速度較快時 (圖3c)，絲材逐漸變細，有輕微斷絲現(xiàn)象，且相鄰兩波峰或波谷之間的距離逐漸增大，加劇了制件表面凸凹不平，導致PLA表面平整度和表觀質(zhì)量均下降，其粗糙度增大。

圖3 不同外殼速度下的PLA二維表面形貌

圖4為不同外殼速度對PLA制件粗糙度和尺寸精度的影響示意圖。從圖4可以看出，制件粗糙度隨外殼速度的增加呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，而尺寸精度卻隨外殼速度的增加呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢。當外殼速度為20 mm/s時，PLA表面三維形貌波峰以平臺為主且較為光滑，故粗糙度小，僅為5.4 μm，但亦因速度過慢，絲材表面有明顯溢料囤積或殘余隆起現(xiàn)象，而尺寸精度由峰頂高度決定，故其尺寸精度較差，達到了0.25 mm。隨著外殼速度增加至40 mm/s時，制件平整光滑、表觀質(zhì)量好，粗糙度為10.2 μm；且因速度適中，噴嘴運動穩(wěn)定，出絲均勻一致，故制件尺寸偏差小，尺寸精度達到0.16 mm。當外殼速度增加至60 mm/s時，速度過快，擠出的絲材量無法滿足過快的堆積疊加量，制件表面絲材斷絲現(xiàn)象漸增，故其粗糙度較大，達到25.9 μm，且線材因擠出受拉而變細，制件實際尺寸與理論尺寸偏差加劇，故其尺寸精度變差且增幅較大。

圖4 不同外殼速度下的PLA制件表面粗糙度和尺寸精度

外殼速度影響著打印過程的穩(wěn)定性和持續(xù)性。速度較慢時，噴嘴擠出的絲材量遠大于填充量，引起噴嘴堵塞或出現(xiàn)絲材擠壓堆積、粘結(jié)和溢料現(xiàn)象，致使成型件表面多余的絲材局部隆起和突出，偏離理論設計尺寸，故其制件尺寸精度降低；同時因速度過慢，灼熱的噴頭會再次融化已堆積層，嚴重時絲材可焦糊或降解變質(zhì)。但又因速度慢，噴嘴運動也較為穩(wěn)定，故其表面粗糙度較低，表觀質(zhì)量好。而速度較快時，擠出的絲材量無法滿足過快填充量，出現(xiàn)供絲不足或者絲材被牽拉成細線，造成制件表面局部空洞缺陷；同時因速度過快，噴頭和機架劇烈振動，致使打印定位精度降低，且慣性作用又使得制件實際尺寸偏移[11]，最終導致成型件的尺寸精度降低。

故綜合制件表面粗糙度和尺寸精度，3D打印外殼速度應設定為40 mm/s。

流坑村內(nèi)建筑大部分為磚木結(jié)構(gòu)，既有外砌馬頭墻、內(nèi)懸楹聯(lián)匾額的民居邸宅，共墻連體、規(guī)模龐大的建筑群，也有登臨遠眺、防衛(wèi)御敵的門樓，造型別致、雕梁畫棟的宗廟牌樓，這些都反映悠久的歷史和輝煌，也是集歷史文化、建筑藝術、民俗風情為一體的古文化博物館[1]。

2.2 填充速度對PLA制件壓縮強度影響

圖5為不同填充速度下PLA制件的壓縮應力-應變曲線。從圖5可以看出，不同填充速度下制件的應力-應變曲線較為相似。在彈性區(qū)內(nèi)，即低應變區(qū)域，其壓縮應力隨應變增加呈現(xiàn)緩慢線性上升的趨勢；達到屈服點之后，壓縮變形進入塑性屈服階段，且過屈服點峰值之后，塑性變形均出現(xiàn)應變軟化現(xiàn)象，即隨應變的增加，應力呈現(xiàn)下降的趨勢。

圖5 不同填充速度下PLA制件的壓縮應力-應變曲線

圖6為不同填充速度下PLA制件的壓縮強度曲線。從圖6可以看出，隨填充速度的增加，制件壓縮強度呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢。當填充速度為70 mm/s時，制件內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，相同高度內(nèi)絲材堆積的實際質(zhì)量最多，故受壓時壓縮強度較高；當速度為90 mm/s時，速度仍相對較慢，材料存在局部降解和橡膠化現(xiàn)象，其絲材鋪層間又漸現(xiàn)孔隙，故壓縮強度開始下降。隨速度增加至110 mm/s時，制件結(jié)構(gòu)相對飽滿，且打印時相鄰鋪層間溫差較小，絲材及鋪層接觸面上易發(fā)生熔化再浸潤現(xiàn)象，層間結(jié)合力和界面強度提高，制件受壓縮時不易被破壞，故壓縮強度達到峰值75.7 MPa。但當填充速度增加至150 mm/s時，速度過快，制件內(nèi)部絲材易出現(xiàn)“欠填充”現(xiàn)象，如絲材拉絲、粗細不均或斷料等，這種出料不足導致單位面積上堆疊的絲材質(zhì)量最少，整體填充蓬松且無力，同時上、下鋪層間孔隙多、壓實作用最小，故試樣抗壓縮載荷逐漸減小，壓縮強度降低。

圖6 不同填充速度下PLA制件的壓縮強度

圖7為不同填充速度下PLA制件截面SEM照片。從圖7中可以看出，制件截面平齊光滑且絲材無縮頸變形，均符合脆性斷裂形貌特征。當填充速度為70 mm/s時(圖7a)，PLA制件截面粗糙，絲材輪廓和形狀不明顯，但絲材及鋪層間重疊堆積現(xiàn)象卻清晰可見，似乎有成整體或連續(xù)結(jié)構(gòu)的趨勢，且其截面孔洞小且少。填充速度增至90 mm/s時(圖7b)，絲材輪廓和形狀漸現(xiàn)且局部端面凹凸不平，絲材仍有堆積現(xiàn)象且空隙增多。當填充速度為110 mm/s時(圖7c)，截面絲材分布均勻且排列緊密，單絲直徑最為粗大，相鄰單絲“并肩”搭接現(xiàn)象明顯，且線材及上下鋪層間接觸面積最大，粘結(jié)性能最好，利于制件力學性能的增加。但繼續(xù)增加填充速度至130 mm/s (圖7d)和150 mm/s (圖7e)時，絲材間隙出現(xiàn)大量曲邊梯形狀和三角形狀孔隙，且絲材分布不均，直徑和形狀差異較大，同時打印鋪層路徑較為曲折，層間相對疏松，說明此填充速度下打印機出絲不順。

圖7 不同填充速度下PLA制件截面照片

分析認為不同打印速度下PLA制件壓縮強度差異化可能與制件截面孔隙率和鋪層間粘結(jié)面積有關[12]。填充速度較低時，PLA絲材停留在熔腔內(nèi)時間長，材料熔融充分、熔體流動性好，其制件截面致密、孔洞率低，相同高度內(nèi)絲材堆積密度最大、質(zhì)量最重，原則上制件受壓時抵抗變形能力最強，但因速度慢，新堆積層與已固化層間溫差較大，上、下鋪層間僅機械式堆積和疊加，相互無粘結(jié)面積和作用力，故壓縮強度變低。而速度適宜時，因打印出絲均勻且順暢，絲材及鋪層間間距減小，孔隙缺陷又較少且制品填充密度較高，故受壓時應力傳遞快分散效果好，且打印時已堆積層還未完全固化，新鋪層又能及時補上，引起兩層間尚有一定運動能力的分子鏈可相互粘連和浸潤，層間接觸面積大、粘結(jié)牢固，因此受壓時制件壓縮強度高。但速度過快時易出現(xiàn)供絲不足的現(xiàn)象，即擠進熱腔內(nèi)的絲材量遠遠無法滿足過快的擠出填充量，導致制件內(nèi)部斷絲和孔洞缺陷增多，同時絲材粗細不均導致鋪層間粘結(jié)面積減少，故當制件受壓時孔隙處發(fā)生應力集中，應力發(fā)展到極限時裂紋沿著界面直接擴展至絲材本體，導致層間發(fā)生界面脫落和絲材剝離現(xiàn)象[13]，故壓縮強度大幅下降。

2.3 填充速度對PLA制件拉伸強度的影響

不同填充速度下的PLA制件拉伸應力-應變曲線如圖8所示。從圖8可以看出，不同填充速度下的PLA制件均發(fā)生脆性斷裂，屈服點之前為彈性階段，應力隨應變增加均呈線性增加，屈服點之后即試樣達到最大屈服應力后，發(fā)生脆性斷裂，且無明顯屈服階段，斷裂應變在2.2%～2.75%之間。

圖8 不同填充速度下的PLA制件的拉伸應力-應變曲線

不同填充速度下PLA制件的拉伸強度和斷裂伸長率變化如圖9所示。從圖9可看出，制件拉伸強度和斷裂伸長率均是隨著填充速度的增加呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢。當填充速度為70 mm/s時，PLA絲材停留在打印機熔腔內(nèi)時間較長，高分子絲材易出現(xiàn)降解和燒焦的現(xiàn)象[14]，導致材料本體結(jié)構(gòu)破壞，故制件拉伸強度和斷裂伸長率均較低。隨填充速度增至110 mm/s時，速度適宜，絲材能介于固態(tài)與液態(tài)之間保持熔融狀態(tài)且出絲均勻，制件截面致密光滑，且絲材緊密相連，上、下鋪層間粘結(jié)程度高，故其制件拉伸強度和斷裂伸長率俱佳，分別達到44 MPa和2.66%。但繼續(xù)提高填充速度至130 mm/s和150 mm/s時，打印速度過快，導致絲材熔融不充分，其制件截面絲徑稀疏分散、孔洞漸多漸大，且上、下鋪層間接觸面積少、粘結(jié)性差，故制件拉伸強度和斷裂伸長率都呈下降的趨勢。

圖9 不同填充速度下的PLA制件拉伸性能

綜合制件的力學性能變化趨勢，3D打印填充速度建議設定為110 mm/s，此速度下不僅一定程度上可縮短打印時間和提高打印進程，同時打印制件能兼具較高的壓縮強度和拉伸強度。

3 結(jié)論

(1)外殼速度影響3D打印過程的穩(wěn)定性和持續(xù)性，對制件表面質(zhì)量有決定性作用；而填充速度不僅影響著制件截面孔隙率和層間粘結(jié)面積，亦對制件殘余應力及界面粘結(jié)強度有重要作用。綜合打印制件表面質(zhì)量及力學性能，最優(yōu)3D打印外殼速度為40 mm/s，填充速度為110 mm/s。

(2)當外殼速度為40 mm/s時，PLA表面平整光滑，絲材排列緊密且分布均勻，同時打印過程穩(wěn)定，出絲順暢，制件尺寸偏差較小，粗糙度和尺寸精度分別達到了10.2 μm和0.16 mm。

(3) 3D打印制件壓縮強度差異化與制件截面孔隙率和鋪層間粘結(jié)面積有關，而拉伸強度和斷裂伸長率提升得益于制件殘余內(nèi)應力的降低和絲材及鋪層間界面強度的改善。當填充速度為110 mm/s時，制件壓縮強度和拉伸強度分別達到75.7 MPa和44 MPa，斷裂伸長率為2.66%。