3D 打印工藝參數(shù)對制品力學(xué)性能影響實驗研究

摘要為了探究熔融沉積3D 打印制品制備過程中，材料屬性、填充密度、支撐結(jié)構(gòu)等參數(shù)對制品力學(xué)性能和強度特性的影響，提出了一種基于強度需求的3D 打印構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計方法。通過有限元結(jié)構(gòu)強度仿真計算，特征樣品拉力實驗對比分析，獲得工藝參數(shù)相關(guān)的制品力學(xué)性能。研究結(jié)果表明不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)3D 打印制品相同填充密度（質(zhì)量比）時，抗拉強度存在較大差異，其中，在理論分析和實驗測試中，同心結(jié)構(gòu)的抗拉強度較高，折線型和螺旋形抗拉強度較低。該研究成果對深入分析3D 打印制件強度和填充結(jié)構(gòu)的關(guān)系具有指導(dǎo)意義，為基于強度需求的3D 打印參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞3D 打印內(nèi)部支撐填充度力學(xué)性能

中圖分類號 TB430

AbstractIn order to explore the effects of material propertiesfilling densitysupport structure and other parameters onmechanical propertiesandstrengthcharacteristicsof 3Dprintedproductsanoptimizationdesignmethodof 3Dprintedconfiguration based on strength requirements was proposed . The mechanical properties of the products were obtained through the simulation calculation of the finite element structure strength and the comparative analysis of the tensile test of the characteristic samples . The tensilestrength of 3D printed products with different internalstructures hasgreat differences when thepackingdensity is the same . In theoretical analysis and experimental testthe tensile strength of concentric structures is higherwhile thatof folded lines and spirals is lower. The results have guiding significance for in-depth analysis of the relationship between thestrength of 3D printing parts and the filling structureand provide research data support for the optimization design of 3D printingparameters based on strength demand .

Key words 3D printing;Internal support;Filling degree;Mechanical properties

Corresponding author ： YU HongJie ， E-mail ： yuhj@ mail.buct.edu.cn ， Tel ：+86-10-64417994， Fax：+86-10-64417994

The project supported by the Natural Science Foundation of Beijing （ No .3192024），and the Beijing Science and Technology Achievements Transformation Platform Construction Special Project （ No .ZK20190105）.

Manuscript received 20201211 in revised form 20210128.

引言

3D打印作為一種快速逐層累加制造技術(shù)，是數(shù)字化技術(shù)、新材料技術(shù)、光學(xué)技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。現(xiàn)階段對3D打印制品力學(xué)性能的研究主要集中在材料、工藝、打印參數(shù)等方面，對各向異性3D打印制品的取向特征研究較少[3]。國外早在上世紀(jì)八十年代就開始對3D打印材料包括高分子樹脂，金屬，生物材料等進行力學(xué)性能測試，其中尤以研究原料和添加劑配方，制造復(fù)合新材料為重點，通過實驗，制造大量的復(fù)合材料并對其進行相關(guān)力學(xué)性能測試[4—5]以期獲得性能最優(yōu)異的材料。對3D打印制品進行力學(xué)性能分析，探究其成型工藝對制品強度剛度的影響，例如選取一種工程塑料，控制打印速度，層高等會影響制品性能的工藝參數(shù)[6] ，以制品內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)為研究對象，測試不同的填充圖形對成品會有何影響，最終從測試范圍內(nèi)選取出力學(xué)性能最優(yōu)的打印結(jié)構(gòu)，以期提高生產(chǎn)效率[7-8]。

國內(nèi)近些年對3D 打印制品性能方面開展了廣泛研究，依托國內(nèi)外3D 打印技術(shù)發(fā)展特點，總結(jié)現(xiàn)有測試方法，對比仿真與實驗結(jié)果并進行數(shù)據(jù)分析，得出基于設(shè)備、工藝或材料等屬性相關(guān)的3 D 打印性能優(yōu)化方案[9-10]。目前關(guān)于3 D 打印制品成型參數(shù)的研究主要在打印溫度、尺寸、方向、分層方式等方面[11]。部分研究機構(gòu)及學(xué)者分析了內(nèi)部支撐材料和溫度對汽車門把手3 D 打印成型質(zhì)量的影響[12];另有使用 PLA 材料，研究3 D 打印設(shè)備打印速度、噴頭溫度、線徑等因素對成型質(zhì)量的影響[13]。

對于熔融沉積3 D 打印工藝，常用材料有 PLA、 ABS 、尼龍及低熔點金屬絲等。其中 PLA 及 ABS 在桌面級3 D 打印設(shè)備中的使用比例超過80%，但當(dāng)前對其制品力學(xué)取向及綜合性能尚未開展深入研究[14-15]。本研究基于 Abaqus 有限元模型，研究材料、內(nèi)部支撐形式、填充密度等參數(shù)對制品抗拉性能的影響，通過拉伸實驗測試樣件強度，對有限元模型進行驗證，得到基于強度設(shè)計的3D 打印參數(shù)優(yōu)選方案。

1 3D 打印構(gòu)件力學(xué)模型

1.13D 打印材料特性

研究中主要采用 PLA 及 ABS 兩種常用的3 D 打印耗材，在建模仿真過程中材料的物理及機械屬性設(shè)置如表1所示。 PLA 材料熔點低，熔體流動性好，無毒，可生物降解;ABS 材料抗沖擊性、耐腐蝕性、耐摩性良好，作為兩種最主流的3 D 打印熔融沉積成型材料，其機械及力學(xué)性能存在顯著差異[16]。

1.2 3D 打印內(nèi)部支撐工藝

內(nèi)部支撐即填充結(jié)構(gòu)是影響3 D 打印效率與制品質(zhì)量的重要參數(shù)，確定一個模型用何種填充結(jié)構(gòu)需要考慮模型復(fù)雜程度，應(yīng)用環(huán)境，成型速度及材料消耗等方面。

常用的3 D 打印填充圖案類型如圖1所示，其中不同填充結(jié)構(gòu)的3 D 打印制品具備不同的層特性，例如蜂窩型填充的每一層圖案都對接著正六邊形結(jié)構(gòu)，垂直方向可以形成較好的抗拉壓強度[17]。同心、螺旋結(jié)構(gòu)類似樹木的年輪，具有典型的正交各向異性。此外還有直線、折線等結(jié)構(gòu)具有橫觀各向同性的取向特征[18]。低密度填充是3 D 打印制品的顯著特征，50%填充度就可以產(chǎn)生一個非常緊密的模型，10%和30%是常見的密度比例，填充比例也是影響制件性能的重要參數(shù)。

1.3 3D 打印制品強度仿真分析

為了仿真3D 打印成型工藝，基于 Abaqus 通過分層疊加粘連的方法建立實體模型。層與層接觸屬性中，法向行為設(shè)置為默認(rèn)約束執(zhí)行方式，硬接觸壓力過盈，不允許接觸分離;切向行為摩擦公式為罰函數(shù)，為保持與拉力試驗工況參數(shù)一致性，采取下表面固定的約束方式，施加法向載荷50 N 均布拉力，設(shè)置示意如圖2，圖3所示。

1.4 3D 打印工藝參數(shù)設(shè)計

將拉伸工況下模型設(shè)計為長60 mm ，標(biāo)距10 mm ，寬10 mm ，厚4 mm ，層厚度0.2 mm 的標(biāo)準(zhǔn)啞鈴樣條，如圖4所示。填充度設(shè)計為5%～50%，以5%為間隔的多種填充度。填充結(jié)構(gòu)為蜂窩型、八角星螺旋型、直線型、折線型、方格型、同心型、螺旋型七種結(jié)構(gòu)。

實驗所用設(shè)備及原料見表2。實驗以填充圖形與填充度為研究對象，需要控制其他影響制品性能的因素，因此對所有樣條設(shè)置固定的打印機及拉伸試驗機參數(shù)如表3所示。

2 實驗及數(shù)據(jù)結(jié)果分析

2.1仿真結(jié)果分析

首先分析不同填充度對 PLA 制品拉伸性能的影響。如表4所示，是蜂窩型填充結(jié)構(gòu)正應(yīng)力應(yīng)變極值參數(shù)。樣品填充度與極限應(yīng)力的關(guān)系如圖5所示，其關(guān)系遵循冪指數(shù)相關(guān)性，使用指數(shù)方程 y=a+bcx 對理論數(shù)據(jù)進行擬合，得到同拉力下不同填充度與極限應(yīng)力的關(guān)系。其中不同填充結(jié)構(gòu)的擬合方程參數(shù) a ， b ， c 如表5所示。分析曲線走勢，最大應(yīng)力在5%～25%區(qū)間內(nèi)隨填充度增大而減小，不斷趨近于100%。25%填充度相較于100%時，樣品抗拉性能差異微小，因此若在許用應(yīng)力范圍內(nèi)制備同一樣品可在滿足使用要求的前提下節(jié)約75%原料。

計算得到各填充度力學(xué)模型的比剛度，如圖6所

示。比剛度即單位密度的彈性模量[19]，是反應(yīng)制品抗拉性能與制品質(zhì)量的綜合性能，由圖可知樣品比剛度與填充度也呈指數(shù)相關(guān)，5%填充度樣品比剛度最高，其抗拉性能不是最優(yōu)，但在滿足使用條件和安全要求的前提下，此時的樣品質(zhì)量最輕，用料最少，也即最節(jié)約生產(chǎn)時間和成本，更易于攜帶或運輸，性價比最高。

制品力學(xué)性能取向主要由填充度和填充結(jié)構(gòu)兩個參數(shù)決定。有實驗結(jié)果表明填充度對制品力學(xué)性能有較大影響，其抗沖擊、抗拉壓、抗彎曲能力皆隨填充度增大而不斷增強。填充度越高越接近實心制品，然而打印時間和材料等成本也隨之增加，因此研究不同填充結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，以期獲得性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)，提高制品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

其次為了探究不同填充結(jié)構(gòu)對 PLA 制品拉伸性能的影響，選取填充度為25%時的各結(jié)構(gòu)抗拉仿真數(shù)據(jù)，如圖7所示。仿真結(jié)果表明，同等外部載荷條件下，以方格形填充的3 D 打印制品其局部最大應(yīng)力較小，抗拉性能相對優(yōu)秀。與之相反，折線結(jié)構(gòu)的樣品抗拉性能較差。這主要是由于折線結(jié)構(gòu)垂直方向填充較為稀疏，無法形成有效的抗拉力學(xué)結(jié)構(gòu)。造成同密度不同結(jié)構(gòu)下制品應(yīng)力應(yīng)變差異的主要原因是施加載荷的方向上橫截面形狀的不同，截面支撐結(jié)構(gòu)并不是均勻分布的，不同的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了內(nèi)部空間疏密的不同，在接近施加載荷的表面下，較為稀疏的部分容易造成應(yīng)力集中，應(yīng)變也隨之會更大。

2.2實驗結(jié)果分析

將不同填充結(jié)構(gòu)及填充度對 PLA 制品拉伸性能的影響實驗數(shù)據(jù)使用指數(shù)方程 y=a-bcx 進行擬合，方程參數(shù)如表6所示，得到二者與抗拉強度的關(guān)系，如圖8所示。抗拉強度由拉伸斷裂力的極值以及樣條的標(biāo)距等參數(shù)計算所得。實驗結(jié)果表明，填充度參數(shù)對抗拉強度的影響呈指數(shù)相關(guān)，填充度的增加使抗拉強度也隨之上升。此外由圖明顯可知同心結(jié)構(gòu)在各個填充度的抗拉強度遠領(lǐng)先于其他結(jié)構(gòu)，蜂窩結(jié)構(gòu)以及方格結(jié)構(gòu)次之，處于第二梯隊，其余幾項結(jié)構(gòu)的抗拉性能相對較弱。

對 ABS 拉伸樣條實驗數(shù)據(jù)進行相同的擬合分析，如圖9所示。同 PLA 制品抗拉性能類似，填充度與 ABS 樣條抗拉性能呈指數(shù)相關(guān)，在0%～25%范圍隨著填充度的增大，樣條抗拉強度快速上升。在填充度大于25%之后，隨其不斷升高，抗拉性能的提升逐漸趨于平緩。同心結(jié)構(gòu)在各密度下抗拉強度優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)抗拉性能較為接近，螺旋結(jié)構(gòu)的樣條其強度在各個填充度都相對最差，其余5種結(jié)構(gòu)其抗拉強度區(qū)分度并不十分明顯，都隨填充度的增大呈上升趨勢，并在不同位置出現(xiàn)小幅度上下波動。

如圖10所示是蜂窩型填充結(jié)構(gòu) ABS 拉伸樣條40%填充度時的力-位移變化曲線。由圖可知3 D 打印制 ABS 樣條在拉伸斷裂的過程中經(jīng)歷了三個階段，首先經(jīng)歷 a 彈性變形階段，載荷逐漸增大直到抗拉強度極限，此時樣條發(fā)出清脆的斷裂聲但無變形。之后進入 b 塑性變形階段，載荷緩慢下降，無明顯變形。最后進入 c 局部斷裂階段，樣條產(chǎn)生明顯裂痕，持續(xù)發(fā)生局部斷裂直至完全斷裂。

3 結(jié)論

本文從3D 打印制品成型工藝入手，分析了填充密度，支撐結(jié)構(gòu)等參數(shù)對制品力學(xué)性能的影響，實驗研究了不同材料及填充參數(shù)3D 打印制品的抗拉強度曲線及比剛度特性，研究數(shù)據(jù)為3D 打印理論模型提供了數(shù)據(jù)驗證，為基于強度需求的3D 打印參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供了參考，論文得到的主要結(jié)論包括：

1）填充度工藝參數(shù)對制品抗拉力學(xué)性能的影響呈類指數(shù)關(guān)系，隨著填充度逐漸增加，其抗拉性能逐漸增強，但性能增強的幅度逐漸下降，應(yīng)根據(jù)3D 打印制品設(shè)計需求進行強度校核，確定3D 打印制品支撐結(jié)構(gòu)與填充比例。

2）不同的填充結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)用環(huán)境下力學(xué)性能差異較大，其中相同使用條件下 PLA 材料抗拉性能比 ABS 高15%左右，對于同一種材料和質(zhì)量比條件，同心型支撐結(jié)構(gòu)的抗拉性能最優(yōu)，比螺旋結(jié)構(gòu)抗拉極限高30%。方格型和蜂窩型支撐結(jié)構(gòu)抗拉強度次之，其余結(jié)構(gòu)抗拉強度較低。

3） ABS 樣條抗拉性能隨著填充度在0%～25%范圍內(nèi)不斷上升而提高，在填充度大于25%條件下，制品抗拉性能的增加趨勢逐漸趨于平緩。說明在較高填充度時，樣條抗拉性能受支撐結(jié)構(gòu)的影響較小;隨著填充度的增高，3D 打印制品力學(xué)性能對支撐結(jié)構(gòu)的敏感性降低。

4）在滿足使用條件和安全要求的前提下，打印制品時可依據(jù)設(shè)計需求和強度校核數(shù)據(jù)依據(jù)指數(shù)擬合曲線選擇對應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)和填充度，按照優(yōu)化的工藝參數(shù)打印出力學(xué)性能符合要求且具有最小質(zhì)量比的制品模型。

參考文獻（References）

[1] 馬昊鵬，遲百宏，等. FDM 工藝制品精度分析及優(yōu)化方法[ J].塑料，2017，46（3）：92-95.

MAHaoPengCHIBaiHongetal . Precisionanalysisandoptimization method of FDM process products[ J]. Plastics ，2017，46（3）：92-95（ In Chinses）.

[2]Wei Feng Yuan ， Yao Yao .3D-printed biomimetic surface structureswith abnormal frictionproperties [ J ]. ExtremeMechanicsLetters ，2019，26（5）：46-52.

[3] 薛瑩.3D 打印參數(shù)設(shè)置對成型質(zhì)量的影響[ J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2019，18（4）：39-42.

XUE Ying. Influenceof 3Dprinting parameterssetting on forming quality[ J]. Journal of Beijing Polytechnic ，2019，18（4）：39-42（ In Chinses）.

[4] 王藹勤，馮寶蓮，等.正交異性復(fù)合材料應(yīng)力強度因子 K1 的確定[ J].機械強度，1992，11（1）：66-69.

WANGAiQin ， FENGBaoLian ， etal . Determinationofstress intensityfactorK1oforthotropiccomposites [ J ]. Journalof Mechanical Strength ，1992，11（1）：66-69（In Chinses）.

[5] 汪紹興.基于 PLA 絲材的 FDM 試件機械性能分析及優(yōu)化[D].大連：大連理工大學(xué)，2015：25.

WANG ShaoXing. Mechanical performance analysis and optimization of FDM specimen based on PLA wire[D]. Dalian：Dalian University of Technology ，2015：25（ In Chinses）.

[6] 劉德喜，李鵬，陶毓博.3D 打印木塑填充結(jié)構(gòu)的平壓性能比較[ J].木材工業(yè)，2019，33（5）：39-43.

LIUDeXiLIPengTAOYuBo . Comparisonofflatpressingproperties of 3Dprintedwood-plasticfilledstructures [ J ]. China Wood Industry ，2019，33（5）：39-43（ In Chinses）.

[7]Mohamed ZM Salem ， MartinBohm ， et al . Evaluation of formaldehydeemissionfromdifferenttypesofwood-basedpanelsandflooringmaterials usingdifferentstandardtestmethods [ J ]. Buildingand Environment ，2012，49（3）：86-96.

[8] 郭學(xué)桃.化學(xué)檢測中檢出限的測定與運用[ J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2018，37（5）：42-45.

GUO XueTao . Determinationandapplicationof detectionlimitsin chemical detection [ J]. Popular Standardization ，2018，37（5）：42-45（In Chinses）.

[9]Ming Li ， ChangliangLai . Designandmechanicalpropertiesofhierarchicalisogridstructuresvalidatedby 3Dprintingtechnique[ J]. Extreme Mechanics Letters ，2019，168（6）：1-13.

[10] 邱月，王俊成，等.3D 打印蜂窩結(jié)構(gòu)的抗壓吸能性能研究[ J].無線互聯(lián)科技，2019，18（7）：121-123.

QIU Yue ， WANG JunCheng ， et al . Researchoncompressionand energy absorptionperformanceof 3Dprintedhoneycombstructure [ J ]. WirelessInternetTechnology ，2019，18（7）： 121-123（ In Chinses）.

[11]朱土龍，鄭錦榕.復(fù)合材料的統(tǒng)計強度和設(shè)計許用值計算[ J].機械強度，1994，16（4）：45-47.

ZHU TuLong ， ZHEN JinRong. Calculation of statistical strength and designallowablevalueofcompositematerials [ J ]. Journalof Mechanical Strength ，1994，16（4）：45-47（ In Chinses）.

[12]Jian Luo ， Hong Wang. Study on anti-wear property of 3D printed-tools in friction stir welding by numerical and physical experiments[ J]. Int J Adv Manuf Technol ，2015，77（2）：1781-1791.

[13]HongYi ， ZhangPeng. Frictionandwearoftexturedsurfacesproduced by 3Dprinting [ J ]. TechnologicalSciences ，2017，60（9）：1400-1406.

[14]TomislavGalwta ， PeroRaos . Influence of structure on mechanicalproperties of 3D printed objects s[ J]. Procedia Engineering ，2016，149（6）：100-104.

[15]DaweiLi ， NingDai . Densityawareinternalsupportingstructuremodeling of 3D printed objects[ J]. IEEE ，2015，65（4）：209-215.

[16] 楊琦，糜娜.3D 打印層厚參數(shù)對零件力學(xué)性能影響的研究[ J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019，30（8）：52-55.

YANGQi ， MINa. Researchoninfluenceoflayerthickness parameters onmechanicalpropertiesof partsin 3Dprinting [ J ]. Science and Technology InnovationHerald ，2019，30（8）：52-55（ In Chinses）.

[17] 毛羽忻，毛征.面向3D 打印的混合支撐結(jié)構(gòu)建模與設(shè)計[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用，2018，20（3）：3-9.

MAO YuQi ， MAOZheng. Modelinganddesignof hybridsupport structures oriented to 3D printing [ J]. System Simulation Technology Application ，2018，20（3）：3-9（ In Chinses）.

[18]Xiaofei caoa ， Shengyu duana. Mechanical properties of an improved3D-printed rhombic dodecahedron stainless steel lattice structure of variablecrosssection [ J ]. InternationalJournalofMechanical Sciences ，2018，145（8）：53-63.

[19] 李洪泉.關(guān)于比強度和比模量單位的使用辨析[J].宇航材料工藝，2012，42（1）：112.

LI HongQuan . Analysis on the use of specific strength and specific modulus units [ J ]. AerospaceMaterial Technology ，2012，42（1）：112（ In Chinses）.