李久振，戰(zhàn)麗，李莞，袁勇超，李云鵬

(1.中國機(jī)械總院集團(tuán)青島分院有限公司，山東青島 266300； 2.中國機(jī)械總院集團(tuán)北京機(jī)電研究所有限公司，北京 100083)

近年來，增材制造技術(shù)發(fā)展迅速，從消費(fèi)級小型桌面打印機(jī)到專用的大型工業(yè)打印機(jī)、從低溫低速打印機(jī)到高溫高速打印機(jī)，已經(jīng)發(fā)展成為一大行業(yè)。

熔融沉積成型(FDM)是增材制造中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，其在熱塑性樹脂基材料復(fù)雜構(gòu)件一體化成型方面具有極大優(yōu)勢。對于一些需要在高溫高壓等極端環(huán)境下工作的復(fù)雜零部件，為滿足輕量化、形性功能一體化的應(yīng)用需求，常以高性能工程塑料作為樹脂基體。但隨著對此類功能部件力學(xué)性能的要求越來越高，純樹脂材料在一些應(yīng)用場景中已經(jīng)不能滿足需求，因此大量專家學(xué)者通過在樹脂材料中添加纖維增強(qiáng)相進(jìn)而制作出纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來提高樹脂材料的各項(xiàng)性能。其中Zhong等[1]、Wang等[2]研究了基于FDM技術(shù)下的短切碳纖維和短切玻璃纖維增強(qiáng)高性能聚醚醚酮(PEEK)復(fù)合材料打印件的性能表現(xiàn)，通過檢測微觀結(jié)構(gòu)、表面質(zhì)量、孔隙率和力學(xué)性能等指標(biāo)可知，向PEEK樹脂中添加玻璃纖維或者碳纖維可以顯著提高拉伸強(qiáng)度和撓曲強(qiáng)度。Dickson等[3]采用短切碳纖維、短切玻璃纖維以及Kevlar纖維作為復(fù)合絲材的增強(qiáng)相進(jìn)行3D打印，發(fā)現(xiàn)纖維增強(qiáng)尼龍(PA)復(fù)合材料的力學(xué)性能大幅提升。在此基礎(chǔ)上為進(jìn)一步提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，專家學(xué)者將增強(qiáng)相由短切纖維改為連續(xù)纖維，其中Tian等[4]，Chabaud等[5]探究了連續(xù)碳纖維、連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，相較于短切纖維增強(qiáng)，連續(xù)纖維呈現(xiàn)出了更為優(yōu)異的力學(xué)性能。於琳濤等[6]運(yùn)用連續(xù)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料增材制造技術(shù)制造零部件，并將其應(yīng)用在航空航天、武器制造等領(lǐng)域。

在FDM打印機(jī)常用的樹脂材料中，多為普通的工程塑料或者無毒無公害的低熔點(diǎn)塑料，比如聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料和PA等，但這種低熔點(diǎn)工程塑料的力學(xué)性能受限于材料本身的性質(zhì)，所以其制件也無法在極端工作環(huán)境下使用。為使打印件的應(yīng)用范圍更廣、力學(xué)性能更優(yōu)越，需選用高性能工程塑料作為樹脂基體，輔以連續(xù)纖維增強(qiáng)，以提高復(fù)合材料制件的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度。PEEK是一種半結(jié)晶類的熱塑性特種工程材料，其負(fù)載熱變形溫度可以達(dá)到316 ℃，能夠在260 ℃的高溫環(huán)境下連續(xù)使用。與低熔點(diǎn)熱塑性材料相比，PEEK具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱物理性能、絕緣性能，此外還具有良好的生物相容性，在一些領(lǐng)域能夠代替陶瓷和金屬等材料[7-9]。Ding等[10]研究了連續(xù)碳纖維、連續(xù)玻璃纖維等作為增強(qiáng)相的復(fù)合材料力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維對沖擊性能的提升較大，而碳纖維的存在反而增加了材料的脆性，所以連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料所制作的復(fù)雜功能部件的綜合性能更為優(yōu)越，其耐用性更高。

PEEK熔點(diǎn)高，因此可以在高溫、高壓等極端環(huán)境下工作，但同樣其高熔點(diǎn)的特性在增材制造打印過程中也產(chǎn)生了很多困難，對3D打印設(shè)備的性能提出了高要求，同時對打印工藝的要求也上升了幾個臺階。Zhao等[11]研究了PEEK在FDM打印過程中的光柵角、噴嘴溫度和環(huán)境溫度等工藝參數(shù)對純PEEK材料的綜合力學(xué)性能影響因素，揭示了其斷裂機(jī)理，該團(tuán)隊還研究了PEEK義肢的力學(xué)性能，為其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了應(yīng)用指導(dǎo)。Geng等[12]研究了打印過程中力與速度等對PEEK細(xì)絲結(jié)構(gòu)和尺寸的影響，探測模擬了擠出機(jī)的擠出力與阻力，編制了優(yōu)化控制算法，改善了擠出絲的表面粗糙度，為FDM精度控制提供了技術(shù)支持。單忠德院士團(tuán)隊對連續(xù)纖維增材制造專用裝備做了大量研究[13-14]，在連續(xù)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的成型方法、工藝及性能方面取得了很多成果，為筆者的試驗(yàn)探究提供了理論及技術(shù)參考。

上述研究工作均表明了PEEK及其復(fù)合材料的增材制造技術(shù)具有極大的發(fā)展?jié)摿Γ鲜鲅芯看蠖嘁约働EEK樹脂及短切纖維增強(qiáng)PEEK為原材料，關(guān)于連續(xù)纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料的增材制造基礎(chǔ)工藝及工藝優(yōu)化方面的研究較少。

為了進(jìn)一步探究增材制造成型工藝參數(shù)對連續(xù)纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，筆者以連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)PEEK (PEEK/CGF)復(fù)合材料絲材作為原材料，通過拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度來表征其力學(xué)性能。通過文獻(xiàn)檢索，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)春暉團(tuán)隊在此方面也做了一些研究工作[15-16]，該團(tuán)隊研究了連續(xù)纖維增強(qiáng)PEEK增材制造過程中的打印溫度、基板溫度以及熱處理等工藝參數(shù)對連續(xù)纖維增強(qiáng)PEEK制件力學(xué)性能的影響，找到了最優(yōu)的工藝參數(shù)組合：噴頭溫度440 ℃、成型平臺溫度160 ℃、打印速度2 mm/s等，在其探究的最優(yōu)工藝參數(shù)下，樣件的彎曲強(qiáng)度達(dá)到351.59 MPa，拉伸強(qiáng)度為383.75 MPa，其研究內(nèi)容對筆者的試驗(yàn)探究具有非常重要的指導(dǎo)意義。但是增材制造過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)不僅有嚴(yán)春暉團(tuán)隊所探究的噴頭溫度、成型平臺溫度、打印速度，除此之外保溫艙溫度、打印路徑、層厚、道間距等工藝參數(shù)組合也直接關(guān)乎打印樣件力學(xué)性能的優(yōu)劣，因此筆者擬設(shè)計單因素試驗(yàn)、Plackett-Burman Design試驗(yàn)(PB析因試驗(yàn))以及Box-Behnken Design試驗(yàn)(BBD試驗(yàn))來探究保溫艙溫度、常用打印路徑、層厚、道間距等工藝參數(shù)對樣件力學(xué)性能的影響，分析工藝參數(shù)之間是否存在相互影響，進(jìn)而通過BBD試驗(yàn)擬合二次回歸模型并預(yù)測現(xiàn)有加工條件下最優(yōu)工藝參數(shù)組合，最后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證調(diào)整得出最優(yōu)工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 主要原材料

PEEK/CGF預(yù)浸絲：直徑為1.0 mm，表面光滑，玻璃纖維線密度為300 tex，預(yù)浸絲纖維體積分?jǐn)?shù)約為29.3%，濱州艾克新材料科技有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

萬能材料試驗(yàn)機(jī)：INSTRON 5567，美國英斯特朗公司；

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高溫FDM打印機(jī)：噴頭溫度0～450 ℃，成型平臺溫度0～170 ℃，保溫艙溫度0～ 90 ℃，自制。

1.3 樣件制備

本次試驗(yàn)樣件均由自制連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高溫FDM打印機(jī)制備，該打印機(jī)噴嘴外徑1.75 mm，內(nèi)置1.0 mm金屬管，噴頭溫度設(shè)為440 ℃，成型平臺溫度設(shè)為160 ℃，打印速度設(shè)為2 mm/s[12]。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計

擬通過設(shè)計單因素試驗(yàn)、PB析因試驗(yàn)以及BBD試驗(yàn)來探究保溫艙溫度、常用打印路徑、層厚、道間距等工藝參數(shù)對樣件拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度的影響，進(jìn)而優(yōu)化工藝參數(shù)。

單因素試驗(yàn)采用控制變量法，目的是確定各工藝參數(shù)單獨(dú)作用時對目標(biāo)性能的影響規(guī)律；PB析因試驗(yàn)是在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計一系列試驗(yàn)，目的是得到表征各工藝參數(shù)對目標(biāo)性能影響程度的帕累托圖，進(jìn)而明確各工藝參數(shù)之間是否存在相互作用以及相互作用的影響程度；最后通過BBD試驗(yàn)擬合二次回歸模型并預(yù)測現(xiàn)有加工條件下最優(yōu)工藝參數(shù)組合，再進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證得出最優(yōu)工藝參數(shù)。

1.5 樣件力學(xué)性能測試

拉伸試樣及拉伸強(qiáng)度測試方法按照GB/T 1447-2005中的規(guī)定執(zhí)行，制備Ⅰ型試樣，其總長度L=180.0 mm，中間平行段長度L1=55.0 mm，中間平行段寬度b1=10.0 mm，厚度h=2.0 mm，測試時加載速度為10 mm/min，5個試樣一組取平均值；

彎曲試樣及彎曲強(qiáng)度測試方法按照GB/T 1449-2005中的規(guī)定執(zhí)行，制備樣件厚度h=3.0 mm，寬度b=25.0 mm，總長L=60.0 mm，跨距L1=48.0 mm，測試時加載速度為10 mm/min，5個試樣一組取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

單因素試驗(yàn)采用控制變量法，探究單個打印工藝參數(shù)的取值對目標(biāo)性能的影響規(guī)律，因變量水平值選取依據(jù)設(shè)備及耗材規(guī)格。保溫艙溫度(A)選取50～90 ℃，通過實(shí)測，在未加保溫艙裝置時，工作艙溫度已處于40～50 ℃，試驗(yàn)裝置最高保溫90 ℃，故以10 ℃為一個單位測試樣件力學(xué)性能隨溫度變化趨勢；打印路徑(B)在常用層合板直線打印(0°/0°/0°/0°)的基礎(chǔ)上做了最外層調(diào)整，其目的是在現(xiàn)有研究已取得的強(qiáng)度上做進(jìn)一步探究，此處選取了典型的5種路徑角度；層厚(C)選取0.25～1.25 mm，依據(jù)絲材規(guī)格1.0 mm，纖維體積分?jǐn)?shù)29.3%，又因?yàn)閺?fù)合材料性能與纖維含量有強(qiáng)相關(guān)性[17]，故在纖維不堵塞噴嘴且能完成連續(xù)打印的最小尺度0.25 mm的基礎(chǔ)上依次疊加，探究該材料的最優(yōu)層厚；道間距(D)選取0.5～2.5 mm，道間距的取值直接關(guān)系到打印件的纖維體積含量，在一定范圍內(nèi)，纖維含量越高，打印件力學(xué)性能越優(yōu)越，即在道間距1.0 mm恰好完全填充為界時，以0.5 mm為跨度進(jìn)行打印，上下共分5組進(jìn)行趨勢探索；未涉及打印參數(shù)均依據(jù)文獻(xiàn)[12]所得最優(yōu)工藝選取，在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步驗(yàn)證探究，其余工藝參數(shù)則按照性能最優(yōu)的原則選取，單因素試驗(yàn)及結(jié)果見表1。

表1 單因素試驗(yàn)及結(jié)果Tab. 1 One-way test and results

由表1單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，針對拉伸、彎曲強(qiáng)度性能提升，最優(yōu)工藝參數(shù)組合分別如下。

拉伸強(qiáng)度：保溫艙溫度為90 ℃、打印路徑為0°/0°/0°/0°、層厚為1.0 mm、道間距為1.0 mm。根據(jù)現(xiàn)有最優(yōu)工藝參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，拉伸強(qiáng)度為316.88 MPa。

彎曲強(qiáng)度：保溫艙溫度為90 ℃、打印路徑為0°/0°/0°/0°、層厚為0.75 mm、道間距為0.5 mm。根據(jù)現(xiàn)有最優(yōu)工藝參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，彎曲強(qiáng)度為472.50 MPa，彎曲強(qiáng)度已明顯得到改善。

為進(jìn)一步探究各工藝參數(shù)之間是否存在相互作用，需進(jìn)一步設(shè)計PB析因試驗(yàn)，根據(jù)二八法則確定各個因素以及交互因素對目標(biāo)性能的影響。

2.2 PB析因試驗(yàn)

PB析因試驗(yàn)是依據(jù)單因素試驗(yàn)提供的各影響因素的高低水平值進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計，通過該試驗(yàn)設(shè)計進(jìn)而繪制出描述各工藝參數(shù)對目標(biāo)性能影響程度的帕累托圖。

為探究各工藝參數(shù)力學(xué)性能的影響程度，PB試驗(yàn)的水平值應(yīng)在單因素試驗(yàn)所得趨勢內(nèi)選取的范圍較大一些，以放大工藝參數(shù)對目標(biāo)性能的影響程度，同時為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，則應(yīng)選取峰值拐點(diǎn)前后對應(yīng)的工藝參數(shù)水平。具體因素水平的確定如下：在單因素試驗(yàn)1～5中，保溫艙溫度對樣件力學(xué)性能的影響規(guī)律較為明確，呈現(xiàn)出拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度隨保溫艙溫度的上升而上升的趨勢，由于單因素試驗(yàn)保溫艙保溫范圍為50～90 ℃，考慮到PB析因試驗(yàn)取值的大范圍及需取在峰值前后的要求，為兼顧二者，故在此處“小中取大”，將保溫艙溫度定位在70～90 ℃；同理典型打印路徑取0°～45°鋪層；對于層厚，在單因素試驗(yàn)中拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度明顯出現(xiàn)了拐點(diǎn)，則根據(jù)拐點(diǎn)附近“小中取大”的原則，拉伸強(qiáng)度對應(yīng)層厚的水平定為0.5～1.25 mm，彎曲強(qiáng)度對應(yīng)層厚的水平定為0.5～1.0 mm；道間距的因素水平確定同上所述，對于拉伸強(qiáng)度，根據(jù)拐點(diǎn)附近“小中取大”的原則，水平取值0.5～1.5 mm，對于彎曲強(qiáng)度，中道間距水平的確定則同保溫艙溫度及打印路徑的確定原則一致，取值0.5～1.5 mm。PB析因試驗(yàn)方案及結(jié)果分別見表2、表3和表4。

表2 PB析因試驗(yàn)輸入值Tab. 2 PB analysis test inputs

表3 PB-拉伸試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab. 3 PB-Tensile test schemes and results

表4 PB-彎曲試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab. 4 PB-Bending test schemes and results

通過上述PB析因試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Design-Expert軟件繪制出表征PEEK/CGF復(fù)合材料增材制造工藝參數(shù)對目標(biāo)性能的影響程度的帕累托圖，如圖1和圖2所示。由圖1可以看出，各工藝參數(shù)及其交互作用對樣件拉伸強(qiáng)度的影響程度排序?yàn)椋築＞D＞A＞BD＞C＞AB＞CD＞AC＞AD＞BC。

圖1 拉伸強(qiáng)度-帕累托圖Fig. 1 Tensile strength-Pareto chart

圖2 彎曲強(qiáng)度-帕累托圖Fig. 2 Bending strength-Pareto chart

由圖1可知，較為顯著影響因素(取大于1%)排序?yàn)椋築＞D＞A，即打印路徑＞道間距＞保溫艙溫度；PB-拉伸試驗(yàn)中的第6組的層厚與道間距均不是單因素試驗(yàn)中優(yōu)選的最優(yōu)值，但二者與保溫艙溫度、打印路徑組合后性能反而優(yōu)于單因素優(yōu)選的工藝，這也證明了工藝參數(shù)之間是存在關(guān)聯(lián)配合影響的。

由圖2可以看出，各工藝參數(shù)及其交互作用對樣件彎曲強(qiáng)度的影響程度排序?yàn)椋築＞BD＞D＞A＞BC＞AB＞C＞AC＞AD＞CD。結(jié)果如圖2顯示，彎曲強(qiáng)度影響因素較為復(fù)雜，各個交互作用在彎曲強(qiáng)度的提升上也占據(jù)相當(dāng)重要的地位，其顯著影響因素(取大于1%)排序?yàn)椋築＞BD＞D＞A＞BC＞AB＞C，即打印路徑＞打印路徑與道間距的交互作用＞道間距＞保溫艙溫度＞打印路徑與層厚的交互作用＞保溫艙溫度與打印路徑的交互作用＞層厚。

2.3 BBD響應(yīng)面試驗(yàn)

2.3.1 BBD試驗(yàn)設(shè)計方案及結(jié)果

BBD試驗(yàn)是將單因素試驗(yàn)所精選的水平值范圍與PB析因試驗(yàn)所得顯著影響因素結(jié)合。根據(jù)上述PB析因試驗(yàn)，影響拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度顯著的因素是保溫艙溫度、打印路徑和道間距，因此設(shè)計的BBD試驗(yàn)的因素與水平見表5，將其導(dǎo)入BBD試驗(yàn)設(shè)計中可得拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度的BBD試驗(yàn)設(shè)計方案及結(jié)果，見表6。依據(jù)該試驗(yàn)設(shè)計方案進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)而擬合出二次回歸模型預(yù)測現(xiàn)有試驗(yàn)條件下最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，由于單因素試驗(yàn)及PB析因試驗(yàn)已確定在一定范圍內(nèi)，層厚對拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度的影響相對于其他工藝參數(shù)效果甚微，故此BBD試驗(yàn)方案中拉伸試驗(yàn)層厚取單因素試驗(yàn)最優(yōu)參數(shù)1.0 mm，彎曲性能試驗(yàn)取單因素試驗(yàn)最優(yōu)參數(shù)0.75 mm。

表5 BBD試驗(yàn)因素水平Tab. 5 Factors and levels of Box-Behnken Design test

表6 BBD試驗(yàn)設(shè)計方案及結(jié)果Tab. 6 Box-Behnken Design test schemes and results

依據(jù)表6試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)噴頭溫度為440 ℃、成型平臺溫度為160 ℃[12]、打印速度為2 mm/s、層厚為1.0 mm、保溫艙溫度為80 ℃、打印路徑為0°/0°/0°/0°、道間距為0.5 mm時，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大，為347.40 MPa。

當(dāng)噴頭溫度為440 ℃、成型平臺溫度為160 ℃、打印速度為2 mm/s、層厚為0.75 mm、保溫艙溫度為90 ℃、打印路徑為0°/0°/0°/0°、道間距為1.0 mm，彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大，為508.36 MPa。

2.3.2 BBD試驗(yàn)方差分析

將BBD試驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入Design-Expert軟件進(jìn)行多元回歸擬合，得到表征各工藝參數(shù)對PEEK/CGF復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度影響的二次回歸模型，如式(1)和式(2)所示。

式中：Y1為拉伸強(qiáng)度；Y2為彎曲強(qiáng)度。

表7為拉伸強(qiáng)度的BBD試驗(yàn)方差分析。由表7可知，上述所建立的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度影響因素的二次回歸模型顯著(p＜0.01)，失擬項(xiàng)不顯著(p＞0.05)，表明復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度影響因素的數(shù)據(jù)模型是合理的；模型的決定系數(shù)R2=0.932 2，校正決定系數(shù)R2Adj=0.845 1，表明該模型與試驗(yàn)結(jié)果的擬合度較好，該模型可用于PEEK/CGF復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度對應(yīng)工藝參數(shù)的可靠分析與預(yù)測。

表7 拉伸強(qiáng)度的BBD試驗(yàn)方差分析Tab. 7 BBD ANOVA of tensile strength

表8為彎曲強(qiáng)度的BBD試驗(yàn)方差分析。由表8可知，上述所建立的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度影響因素的二次回歸模型顯著(p＜0.05)，失擬項(xiàng)不顯著(p＞0.05)，表明復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度影響因素的數(shù)據(jù)模型是合理的；模型的決定系數(shù)R2=0.935 9，校正決定系數(shù)R2Adj=0.825 0，表明該模型與試驗(yàn)結(jié)果的擬合度較好，該模型可用于PEEK/CGF復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度對應(yīng)工藝參數(shù)的可靠分析與預(yù)測。

表8 彎曲強(qiáng)度的BBD試驗(yàn)方差分析Tab. 8 BBD ANOVA of bending strength

綜上所述，由BBD試驗(yàn)設(shè)計擬合的PEEK/CGF復(fù)合材料增材制造工藝參數(shù)對目標(biāo)性能的二次回歸模型，可以較好地反映各個工藝參數(shù)以及它們之間交互作用對目標(biāo)性能的影響規(guī)律。

2.3.3 最佳工藝參數(shù)確定與試驗(yàn)驗(yàn)證

為了揭示保溫艙溫度、打印路徑、層厚、道間距4種因素對復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的影響規(guī)律，通過PB析因試驗(yàn)確定了影響樣件拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度的3個顯著影響因素，進(jìn)一步以顯著影響因素為自變量，通過Design-Expert軟件中的BBD試驗(yàn)設(shè)計分別擬合出了拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度對應(yīng)的二次回歸模型并計算出拐點(diǎn)，再結(jié)合文獻(xiàn)[12]中探究的最佳噴頭溫度、成型平臺溫度等數(shù)據(jù)，可以預(yù)測最佳工藝參數(shù)組合為：當(dāng)噴頭溫度為440 ℃、成型平臺溫度為160 ℃、打印速度為2 mm/s、層厚為1.0 mm、保溫艙溫度為81.52 ℃、打印路徑為0°/0°/0°/0°、道間距為0.7 mm時，模型預(yù)測出的最大拉伸強(qiáng)度為379.52 MPa；當(dāng)噴頭溫度為440 ℃、成型平臺溫度為160 ℃、打印速度為2 mm/s、層厚為0.75 mm、保溫艙溫度為73 ℃、打印路徑為0°/0°/0°/0°、道間距為0.98 mm時，模型預(yù)測出的最大彎曲強(qiáng)度為517.48 MPa。

考慮到實(shí)際操作性，綜合調(diào)整實(shí)際成型工藝參數(shù)如下：對于拉伸樣件，噴頭溫度為440 ℃、成型平臺溫度為160 ℃、打印速度為2 mm/s、層厚為1.0 mm、保溫艙溫度為82 ℃、打印路徑為0°/0°/0°/0°、道間距為0.7 mm；對于彎曲樣件，噴頭溫度為440 ℃、成型平臺溫度為160 ℃、打印速度為2 mm/s、層厚為0.75 mm、保溫艙溫度為73 ℃、打印路徑為0°/0°/0°/0°、道間距為1.0 mm。

根據(jù)上述工藝條件制作力學(xué)樣件，按照復(fù)合材料力學(xué)樣件測試標(biāo)準(zhǔn)，測得拉伸強(qiáng)度為383.75 MPa，彎曲強(qiáng)度為510.13 MPa，考慮到實(shí)際操作時會存在誤差，所以試驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果基本吻合。

3 結(jié)論

為提升PEEK/CGF復(fù)合材料FDM打印樣件的力學(xué)性能，通過設(shè)計響應(yīng)面試驗(yàn)，探究了保溫艙溫度、打印路徑、層厚、道間距等工藝參數(shù)對復(fù)合材料樣件綜合力學(xué)性能的影響規(guī)律，找到了最優(yōu)工藝參數(shù)組合并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

(1)各工藝參數(shù)對力學(xué)性能的影響不同。拉伸性能和彎曲性能均受打印路徑的影響最大，其次是道間距，然后是保溫艙溫度，相比較而言，二者受層厚的影響較小。

(2)各工藝參數(shù)之間存在相互作用。工藝參數(shù)之間的協(xié)調(diào)匹配可以極大地改善打印件的性能，其中工藝參數(shù)的配合對彎曲強(qiáng)度的影響較大。

(3)通過優(yōu)化保溫艙溫度、打印路徑、層厚、道間距等工藝參數(shù)的組合，最終可以將拉伸強(qiáng)度提升至383.75 MPa，彎曲強(qiáng)度提升至510.13 MPa。

本次試驗(yàn)探究以增材制造中多工藝參數(shù)耦合對PEEK/CGF復(fù)合材料樣件性能的影響為出發(fā)點(diǎn)，旨在為復(fù)合材料增材制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供一定的數(shù)據(jù)參考。