FDM工藝參數優化及其對抗拉強度的影響探究

秦 鵬，靳國寶，胡金兵，何 康，王瑩月

(巢湖學院 機械工程學院，安徽 合肥 238000)

從20世紀末至今，3D打印已經在工業界得到了廣泛的應用。作為3D打印領域的代表，FDM(Fused Deposition Modeling，熔融沉積成型)[1]原理如圖1所示。通過對三維零件進行切片，得到各個橫切面輪廓和加工路徑數據的Gcode代碼文件，高溫噴頭根據Gcode文件在X-Y平面沿指定路徑將擠出機不斷送入的熔融絲材堆積，形成工件的一層截面。一層成型后，沿Z軸方向噴頭上移(或平臺下移)一層高度，重新沿路徑堆積熔融絲材,并通過重熔粘接的方式使其層間結合，循環上述過程，最終成型為三維零件。FDM具有成型設備簡單，成本低廉和成型速度快等優點，已經成為3D打印領域發展最成熟、應用最廣泛的加工方法之一，并逐漸開發出適合“私人訂制”的小型桌面級設備，如圖2所示。

PLA(Polylactic acid，聚乳酸)熱穩定性較好，具有良好的抗拉強度及延展度，可以在170～230℃范圍內通過熔融擠出的方式進行成型，并且產品可以完全降解，實現“綠色制造”[2]，因此進行FDM打印時常使用PLA絲材。PLA絲材在FDM打印過程中，要經歷從固相到熔融相，最后再緩慢結晶成固相的變化過程以及伴隨整個過程的熱收縮等原因，導致成型制件的力學性能往往會比原絲材差。

1-料盤；2-PLA絲材；3-擠出機；4-打印噴頭；5-熱床；6-成型制件圖1 FDM成型原理圖

圖2 Anycubic i3 MEGA型FDM打印機

目前對FDM的研究主要集中于提高成型件表面質量[3-4]和改善設備結構[5]等方面，如童和平[6]等人對FDM打印模型的表面質量進行了研究，提出改善模型表面“階梯”效應的措施和方法；鄺東海[7]等人通過探究FDM成型方向與成型輪廓的變化規律和影響因素，分析了小尺寸FDM產品成型缺陷的原因；魏士皓[8]使用ANSYS模擬FDM的成型應力圖和溫度場分布，得到翹曲程度最小對應的工藝參數。而工藝參數對成型制件的力學性能，尤其是抗拉強度的研究較少。基于上述情況，本文采用正交試驗作為研究方法，以抗拉強度作為衡量指標，得出當前試驗條件下FDM的最佳工藝參數。由于正交試驗法每組參數變動較大，并且為了避免試驗過程中出現某個參數對成型質量限定的“木桶效應”，在最佳工藝參數的基礎上，采用單一變量法，結合成型過程中的溫度場和應力場分布，逐個探討單一參數對于試樣抗拉強度的影響并分析原因，以期能為FDM技術的應用和推廣提供參考與幫助，促進該工藝能得到進一步的發展。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器設備及材料

FDM打印機:Anycubic i3-MEGA型桌面級FDM成型設備，成型尺寸為210mm×210mm×205mm，XY軸的定位精度為0.0125mm，Z軸的定位精度為0.002mm，如圖2所示。

抗拉強度測試設備：新三思CMT-5105萬能試驗機，如圖3所示。

試驗材料：PLA絲材，線徑1.75mm，打印溫度190～220℃。

圖3 新三思CMT-5105萬能試驗機

1.2 試驗設計

影響FDM打印成型制件抗拉強度的因素較多，本文主要考慮以下四個工藝參數：

(1)層高：三維模型進行分層切片時層間的距離。

(2)打印速度：噴頭沿輪廓路徑和填充路徑運動時的速度。

(3)噴頭擠出溫度：FDM系統工作時噴頭被加熱到的溫度。

(4)熱床溫度：FDM系統工作時制件底部的溫度。

需要說明的是，除以上參數外，其余參數均采用默認值，如填充率設置為100%，成型角度選擇±45°等。

1.2.1 試樣制備

標準試樣規格按《GB/T1040.2-2006塑料拉伸性能的測定》制備，因試驗條件限制，選擇5A型，總長度L2=75mm，端部寬度b2=10mm，窄部分寬度b1=5mm，厚度h=2mm，標距L0=25mm，夾具間的初始距離為58mm，拉伸試驗速率為1mm/min。

先通過三維建模軟件Solidworks完成標準試樣的立體建模，并保存為STL格式文件，導入切片軟件Cura中，設置工藝參數，進行分層切片處理，生成Gcode文件，FDM打印機執行Gcode文件制成拉伸試驗樣品，根據國家標準去除底部飛邊和毛刺，切片圖及實物如圖4所示。

圖4 (a)5A型拉伸試樣切片圖及(b)成型實物

1.2.2 正交試驗

四個工藝參數，每個參數可取值為4個，若采用全面試驗法，則需要4×4×4×4，共計256組試驗，試驗次數繁多，為了高效快速地獲得最佳工藝參數組合，本文采用四因素四水平L16(44)的正交試驗表，各組試驗序號及對應的工藝參數取值如表1所示。

表1 PLA材料的FDM成型工藝參數正交試驗表

為了減少試驗中的偶然誤差，每組試驗組合重復測試5個樣品，采用方差分析法確定層高、打印速度、噴頭擠出溫度和熱床溫度等四個工藝參數對抗拉強度影響的主次順序，極差越大，表明該因素的水平變化對抗拉強度的影響越大。結果如表2所示，各工藝參數影響的主次順序為：打印速度>熱床溫度>層高>擠出溫度，各工藝參數對抗拉強度的影響均為顯著影響。最佳工藝參數組合為層高0.10mm，打印速度30mm/s，噴頭擠出溫度200℃，熱床溫度60℃，PLA試樣的平均抗拉強度可以達到49.85MPa。

表2 FDM成型工藝參數正交試驗方差分析表

1.2.3 單一變量試驗

在正交試驗確定最佳工藝參數的基礎上，每組只變動一個工藝參數，同樣地，為了避免試驗中出現較大的試驗誤差，每組試驗重復測量5次，各組實驗序號及對應的工藝參數取值如表3所示，試驗結果如表4所示。

表3 PLA材料的FDM成型工藝參數單一變量試驗表

表4 FDM成型工藝參數單一變量試驗結果

2 結果與分析

2.1 拉伸試驗

試驗測得PLA試樣的應力—應變曲線如圖5所示。在整個拉伸過程中，從原點到A點為彈性變形階段，A點為彈性變形階段的終點，從A點到C點為彈塑性變形階段，其中B點為屈服點，從B點開始有一個較小的應變軟化階段，隨應力增加出現“取向硬化”現象，直至到達應力最大處C點，而后試樣截面變得不均勻，出現“細頸”直至試樣斷裂點D。

圖5 PLA材質試樣的應力應變曲線

圖6 PLA材質拉伸試樣斷面顯微圖像(×70)

圖6為放大70倍的拉伸試樣斷面顯微圖像，可以看到斷面上有明顯的絲材堆積痕跡，并且存在未能填充完全的孔洞，以及“銀紋”和應力發白現象，表現為中間區域和兩側的顏色明顯不同。試樣呈現韌性斷裂，這一點從應力—應變曲線上出現的“屈服”現象也可以得到驗證。

2.2 溫度場與應力場模擬

為了更直觀的定性分析，將拉伸試樣近似為60mm×20mm×2mm的長方體，采用高斯移動熱源模擬噴頭的熱量輸入，經過ANSYS Workbench計算分析和求解，可以得到FDM打印過程的溫度分布云圖。圖7為最佳工藝參數組合作用下t=1s噴頭作用中心的溫度場分布。可以看出，噴頭位置的溫度梯度較大，已成型部分會通過對流、輻射和傳導三種方式散熱，溫度下降到穩定值。其中，熱源中心作用區域主要通過熱傳導進行散熱，溫度下降較慢，而面積較大的側面則依靠和空氣的熱對流進行散熱，溫度降低較快。

圖7 FDM熱源中心附近溫度場分布云圖

圖8 FDM打印完成后的應力場分布

在高溫噴頭沿指定路徑往復移動的作用下，試樣內部的應力并不相等。圖8為熱力耦合對應的應力場分布，可以看到應力最大值已經超過了材料的抗拉強度，導致材料內部并不連續，因此PLA試樣的抗拉強度會低于原材料。

2.3 工藝參數的影響

結合本次試驗，具體考察單個工藝參數對于抗拉強度的影響時，需將其作為橫坐標，表4中對應的抗拉強度均值為縱坐標，在直角坐標系做出PLA試樣抗拉強度均值隨工藝參數變化時的曲線。

圖9 打印速度對抗拉強度的水平影響趨勢圖

圖10 (a)打印速度30mm/s和(b)打印速度90mm/s的應力分布圖

圖9為打印速度對抗拉強度的水平影響趨勢圖，當打印速度在30mm/s～90mm/s區間時，隨著打印速度的增加，抗拉強度呈現單調遞減趨勢。打印速度為30mm/s時，抗拉強度均值最大，為49.85MPa。分析其原因，隨著打印速度的增加，熔融絲材的堆積時間減少，在擠出絲材量一定時，增加熔融材料向前的慣性，使材料內部的應力更大。圖10為對比打印速度30mm/s和90mm/s的應力分布云圖，可以看出，打印速度90mm/s的內應力明顯大于打印速度30mm/s的內應力。同時由于冷卻速度較快，當噴頭加工下一個層面時，對已加工部分的再加熱時間縮短，層間的重融粘接區域縮小，整個結構的層間結合強度下降，使其抗拉強度降低。

圖11為層高對抗拉強度的水平影響趨勢圖。結果表明，當層高在0.10mm～0.25mm之內變動時，層高設置過大會使抗拉強度降低，層高為0.10mm時，抗拉強度取得最大值。圖12為層高0.1mm和0.25mm溫度場分布的對比圖，可以看到層高0.1mm的熱影響區深度大于層高0.25mm的熱影響區深度。較小的層高使得完成相同高度的工件所需層數增加，噴頭加工下一個層面時，距離已加工表面更近，對成型部分的熱作用更大，層間重融次數和區域增加，進一步降低內部空洞間隙。而過大的層高會使整體結構層間連接強度不足，結構松散，減小試樣所能承受的拉力，宏觀表現為力學性能下降。

圖11 層高對抗拉強度的水平影響趨勢圖

圖12 (a)層高0.10mm和(b)層高0.25mm的溫度場分布圖

圖13為噴頭擠出溫度對抗拉強度的水平影響趨勢圖，可以看到，當噴頭擠出溫度偏離200℃時，抗拉強度都會降低。這是因為當噴頭擠出溫度較低時，PLA絲材融化程度不夠，輸入的熱量較少，層間重融程度不足，會降低層間的粘結強度，而噴頭擠出溫度超過200℃，輸入熱量增大，絲材被加熱的溫度過高，會發生過燒現象，破壞了材料本身的內部結構，進而降低其力學性能。

圖14為熱床溫度對抗拉強度的水平影響趨勢圖，從圖中可知，隨著熱床溫度的升高，抗拉強度呈現先降后增的趨勢。與層高類似，從熱床溫度的水平影響趨勢圖中不難預測，當熱床溫度進一步提高時，PLA試樣的抗拉強度可能會得到進一步提升。受到當前設備條件限制，當熱床溫度為60℃時，抗拉強度最高，為49.85MPa。這主要是PLA試樣本身厚度較小，熱床溫度較低時，擠出的絲材從噴頭的高溫驟冷至較低的熱床溫度，熔融狀態的PLA絲材內部收縮比較劇烈，存在較大的內應力；隨著熱床溫度的上升，對試樣的加熱作用明顯，噴頭與熱床之間的溫度差減小，驟冷現象得到改善，試樣內應力降低，表現為抗拉強度的提高。此外，需要注意到熱床的加熱范圍和作用有限，在實際應用中，熱床溫度主要是起固定制件的作用，只需保證在打印過程中模型不發生竄動即可。

圖13 噴頭擠出溫度對抗拉強度的水平影響趨勢圖

圖14 熱床溫度對抗拉強度的水平影響趨勢圖

3 結論

(1)通過正交試驗可知，打印速度、層高、噴頭擠出溫度和熱床溫度對抗拉強度均有顯著影響，結合極差分析可以得出，相比打印速度而言，打印層高的影響較小，在實際生產中可以選擇稍高的打印層高以提高效率。以抗拉強度作為衡量指標，在當前試驗條件下，最佳工藝參數組合為層高0.10mm，打印速度30mm/s，噴頭擠出溫度200℃，熱床溫度60℃，可達到的抗拉強度為49.85MPa.

(2)PLA試樣截面仍然存在微小的空洞，通過拉伸試驗可以看出，在斷裂之前，其經歷了彈性變形、彈塑性變形和屈服階段，達到應力最大值后出現“細頸”，發生韌性斷裂，并在斷面處出現“銀紋”和應力發白的現象。

(3)采用高斯移動熱源加載模擬FDM過程，可以得到溫度場與應力場分布。從結果可以看出，溫度分布的不均勻會導致制件內部存在超過抗拉強度的內應力，導致制件的抗拉強度低于原絲材。

(4)不同工藝參數對抗拉強度影響的原因不同。較低的層高和打印速度會改善層與層之間的重熔粘結情況，較高的噴頭擠出溫度則會保證PLA絲材的融化程度，適當的熱床溫度則會減弱制件成型中的驟冷情況，使其內應力較小，結構更加穩定，最終都會使抗拉強度得到提高。