3D打印層厚參數對零件力學性能影響的研究

楊琦 糜娜

摘? 要：文章用實驗的方法分析了3D打印工藝中“分層”參數對產品質量和打印效率，拉伸、壓縮、扭轉等力學性能的影響，為3D打印模型時合理選擇分層參數提供了參考依據。

關鍵詞：3D打印;力學性能;分層

中圖分類號：TQ320.6? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）30-0052-03

Abstract： In this paper， the effects of "layering" parameters on product quality and printing efficiency， mechanical properties such as tension， compression and torsion in 3D printing process are analyzed experimentally， which provides a reference for reasonable selection of layering parameters in 3D printing model.

Keywords： 3D printing; mechanical properties; layering

3D打印是利用打印頭、噴嘴及其他打印技術，通過材料堆積的方式制造零件或實物的工藝[1]。隨著3D打印技術的不斷發展，桌面級的3D打印機以其較好的打印質量、低廉的價格成為消費市場的寵兒，得到了廣泛的應用。雖然3D打印的加工精度不及機械加工要求高，但選擇合理的加工工藝參數，可以盡可能地滿足產品質量要求的同時提高其經濟效益。3D打印的參數主要有成型方向、層厚、填充密度、打印質量（速度）、密閉參數、支撐參數等，不同的參數組合打印出產品的質量也不盡相同，其力學性能也有較大區別。本文主要以3D打印工藝中的“層厚”參數的變化分析產品制造過程的影響，用試驗的方法驗證其力學性能的影響，并給出建議方案。

1 研究的條件

1.1 使用設備

北京太爾時代的UP BOX+型桌面級3D打印機，采用熔融擠出成型（MEM）工藝，成型空間尺寸為255×205×205mm，具有全封閉打印室，其切片及控制軟件為UPSTUDIO，版本為2.0.0.8，如圖1所示。

UPBOX+采用的機械結構是笛卡爾直角坐標式，結構簡單、緊湊、剛度好，噴頭移動靈活，是目前3D打印機主流的結構，其中X軸和Y軸采用的是同步帶傳動，Z軸采用的是滾珠絲杠傳動，如圖2所示。

1.2 選用材料

MEM工藝采用絲狀的熱熔性材料作，通過加熱熔化后從噴頭擠出來，依次堆積成型。工程塑料具有可塑性強、力學性能優及加工性能好等優點，材料的成分、形狀（尺寸）等直接影響打印件的性能，試驗采用原廠生產的1.75mm直徑的ABS和PLA材料，默認的打印溫度分別為270℃和210℃。

1.3 試驗機及模型的制備

試驗選擇力學中主要的三個性能指標：拉伸[2]、壓縮[3]和扭轉作為分析對象，采用WEW-300型微機屏顯液壓萬能試驗機，NJ-50B型扭轉試驗機對試件進行測定。

使用CERO軟件構建試件的三維模型，包括拉伸、壓縮和扭轉，如圖3所示。

2 層厚參數對打印件的影響

以拉伸試件（豎直放置）為例，采用99%的填充密度、默認的打印質量、密閉參數、支撐參數等參數不變的情況下，以0.1、0.15、0.2、0.25、0.3和0.35mm等6個層厚對試件進行分層，3D打印實際打印的層數分別為1570層、1048層、786層、629層、525層和449層，對應的加工時間和使用材料數，如圖4所示。

從圖中反映出“層厚”的變化對材料使用量的幾乎沒有影響，主要是由于分層的原因使打印件尺寸產生了1～2層的偏差導致;“層厚”的變化對打印時間的影響較大，主要是分層的數量與打印的時間成正比關系，即層厚越小、分層數量越大、打印時間越長。0.1mm層厚的打印件質量最好，0.35mm層厚的的打印件質量最差，隨著分層厚度的增加打印件質量呈遞減的趨勢。建議選擇0.15-0.25mm的分層厚度。

3 層厚參數對零件力學性能的影響

在填充密度、打印質量、密閉參數、支撐參數等參數不變的情況下，對豎直放置的拉伸試件、壓縮試件和扭轉試件進行分層，每種規格打印3個試件分別進行測試，最后取中間值進行分析。

3.1 對零件拉伸性能的影響

使用萬能試驗機，采用0.1、0.2、0.3mm的分層厚度，99%的填充密度，其他參數采用默認的情況下，分別得到ABS和PLA材料的試件抗拉性能（臨界拉應力），如表1所示。

從表中可知：隨著層厚的增加，零件的抗拉性能呈較明顯的下降趨勢，低層厚的熔融狀態下材料流動性更好，層與層之間“粘黏”的更加致密，其抗拉性能就更好。PLA材料的抗拉性能，隨著層厚的增加，下降較為顯著，0.3mm層厚時大約為0.1mm層厚時的60%。

3.2 對零件壓縮性能的影響

使用萬能試驗機，對φ30×50mm的試樣，采用0.1、0.2、0.3mm的分層厚度，99%的填充密度，其他參數采用默認的情況下，分別得到ABS和PLA材料的試件壓縮性能（臨界壓力），如表2所示。

從表中可知：層厚對打印件性能影響較小，零件的抗壓性能隨著層厚的增加的下降幅度較小，其中0.1mm和0.2mm層厚的打印件壓縮性能相差不大，0.3mm層厚的打印件也可以達到0.1mm的80%左右。

3.3 對扭轉性能的影響

采用NJ-50B型扭轉試驗機，采用0.1、0.2、0.3mm的分層厚度，99%的填充密度，其他參數采用默認的情況下，分別得到ABS和PLA材料的試件扭轉性能（最大扭矩），如表3所示。

從表中可知：試件的扭轉性能與層厚關系密切，一方面0.2mm層厚打印所成的試件抗扭轉性能是最好的，0.3層厚的次之，而0.1層厚的試件抗扭轉性能最差;另一方面PLA材料0.1mm層厚時的最大扭矩僅為0.2mm層厚時的67%。

通過以上實驗數據，我們不難發現：（1）PLA材料的抗拉強度高于ABS材料，這與材料本身的性能直接相關;（2）較小的分層參數拉伸、壓縮性能較好，但扭轉性能較差，可以根據產品力學性能的需要進行選擇，一般選擇0.2mm的分層厚度較佳。

4 結論

本文通過實驗的方法，分析了3D打印機的“分層”參數對產品質量和打印效率，拉伸、壓縮、扭轉等力學性能的影響，為獲得較好的3D打印模型提供了重要的分層參數的參考依據。

參考文獻：

[1]楊琦，糜娜，曹晶.3D打印技術基礎及實踐[M].合肥：合肥工業大學出版社，2018：1-3.

[2]彭德權，劉勇.熔融沉積3D打印加工零件性能的探討[J].電子世界，2018（8）：90-100.

[3]賈先，譚栓斌，雷鴻春，等.3D打印工藝參數對PLA壓縮性能的影響研究[J].制造技術與機床，2018（4）：29-32.