利用不同振動加工對FFF薄板動力學特性的影響

姜世杰， 孫明宇， 戰 陽， 李常有

(1. 東北大學 機械工程與自動化學院，沈陽 110819；2. 遼寧省機械裝備動力學可靠性重點實驗室，沈陽 110819；3. 遼寧軌道交通職業學院 文化基礎部，沈陽 110023)

增材制造(additive manufacturing, AM)以層層堆疊的方式制造零部件，是一種新興發展起來的加工技術[1-3]。其中，熔絲成型[4-5](fused filament fabrication, FFF)因其成本低廉、操作簡單、環境污染小、近乎無結構限制等優點[6-7]，成為關注度最高、應用范圍最廣泛的增材制造技術之一[8]。

然而，FFF技術仍處于發展階段，存在著許多諸如氣孔、夾雜、層間分離等缺陷問題，嚴重阻礙了該技術的進一步發展[9-10]。現如今，FFF產品已廣泛應用于汽車、航空航天、醫療、電子等實際工程領域[11]，在工作過程中需反復承受動態循環載荷或振動的作用，但同時又要保持穩定性和可靠性。因此，如何提高FFF產品的動力學特性(即固有特性、振動響應等參數)變得越來越迫切，然而目前鮮有此方面的研究。Arivazhagan等[12-13]利用DMA設備對不同打印方向(0°，90°)的FFF零件進行了動力學特性參數的掃頻試驗(頻率范圍為0～100 Hz)。結果表明，隨著溫度的增加，零件的儲能模量有所提高，而黏度隨之降低。Mohamed等[14-15]使用類似的方法研究了過程參數對動態彈性模量的影響。試驗結果表明，增大光柵角度、打印間隙和路徑寬度，動態彈性模量會隨之降低；不同的打印方向也會引起彈性模量的變化。Quintana等[16]通過動態加載試驗技術(超聲波測試和DMA)測量了FFF零件的儲能模量、損耗模量和損耗角正切的變化情況。試驗結果表明，當頻率范圍為0.1～100.0 Hz時，儲能模量和損耗模量隨著頻率的增加而增加，損耗角正切值的變化較小。上述試驗雖然是在循環振動載荷條件下進行的，但僅僅分析了儲能模量、損耗模量等材料力學特性參數(仍屬于材料力學研究范疇)，很少涉及動力學特性方面的研究(固有頻率、模態振型、振動響應等)，而對于如何改善FFF產品動力學特性更是完全沒有提及。Jiang[17-18]等提出了利用振動加工提高FFF零件動力學特性的方法，并完成了一系列的試驗。結果表明，利用振動可以明顯改變樣件的固有頻率，降低樣件的振動響應，從而使樣件的抗振能力大大增強。

本文將壓電陶瓷與FFF設備相結合，制備了利用不同振動加工的FFF樣件；并通過錘擊法模態試驗確定了樣件的固有特性和振動響應等參數；通過對比分析試驗結果，闡明了利用不同振動加工(不同頻率或幅值)對FFF薄板動力學特性的影響規律。

1 振動式 FFF設備

利用壓電陶瓷(P-5 I)、信號發生器(VC2015H)、放大器(HPV-3C0150A0300D)以及普通FFF設備(D-Force V2)，組成了振動式FFF設備，如圖1所示。成型時，放大器將信號發生器產生的電信號放大15倍，為固定在熱熔噴頭上的壓電陶瓷提供穩定的電壓；利用壓電陶瓷的逆壓電效應驅動熱熔噴頭，使其保持垂直振動狀態；再通過加速度傳感器和數據采集卡等拾振設備確定噴頭的實際振動狀態。其中，信號發生器具有改變輸入振動波形、頻率、電壓等功能。

圖1 振動式FFF設備Fig.1 The vibrating FFF equipment

FFF熱熔噴頭豎直方向的簡諧振動可用式(1)表達

x=Asin(ω*t+φ)

(1)

式中:x為加速度；A為輸入振動幅值；ω*為輸入振動頻率；t為時間；φ為初相，φ=0。

2 試驗研究

2.1 樣件準備

圖2 熔絲成型薄板的二維圖(mm)Fig.2 Two-dimensional drawing of the FFF Plate(mm)

表1 FFF薄板的參數設置Tab.1 The settings for the FFF plate

2.2 動力學測試

為了確定利用不同振動加工的FFF樣件的動力學特性參數(如固有頻率、模態振型、振動響應等)，利用模態力錘(PCB-086C01，靈敏度為11.2 mV/N)、數據采集卡(NI USB-4431，具有4個模擬輸入通道和一個模擬輸出通道)和加速度傳感器(PCB-352C33，靈敏度為103.5 mV/g)等設備搭建了如圖3所示的測試系統。其中選用的輕質加速度傳感器質量僅為0.6 g，可忽略其對試驗結果的影響。利用夾具夾持FFF薄板10 mm的長度，以使FFF樣件保持懸臂狀態；模態力錘的激勵點位于薄板中央夾持位置上方約10 mm處；將加速度傳感器固定在振動響應較大的測量點處(薄板樣件的頂部和中部)，以確保測量的準確性和有效性。

圖3 FFF薄板的模態試驗系統Fig.3 The modal test system of the FFF plate

試驗過程中，首先利用模態力錘對樣件施加單脈沖激勵以使其自由振動；然后通過加速度傳感器、NI數據采集卡實時采集激勵和響應信號(采樣率為2 000 Hz)，用以確定薄板樣件的動力學特性；之后采用多輸入單輸出方法，即將加速度傳感器固定在振動響應較大的測量點處，分別激勵不同位置，以獲得薄板的模態振型；最后，針對采集數據進行分析計算，即可獲得FFF薄板固有特性和振動響應等參數的測試結果。為了保證數據的正確性和準確性，針對6種類型的每個樣件各進行了10組試驗(共計540組數據)。選取每個樣件其中一組測試效果好且激勵數值接近的共計10組數據的平均值，作為該類型樣件的響應分析依據。

3 結果分析

3.1 FFF樣件的材料參數

對樣件進行了拉伸試驗和密度測試，以獲得FFF樣件的彈性模量和密度。根據ISO 527-2—2012標準，使用拉伸試驗機(Shimadzu EHF-EV200k2-040，如圖4所示)確定了FFF樣件的應力和應變參數，再根據胡克定律，即可得到FFF樣件的彈性模量。使用電子天平(FA2004，精確度為0.1 mg)完成樣件的質量測量，結合幾何尺寸信息，確定了樣件的密度。FFF樣件的材料特性參數，如表2所示。

圖4 拉伸試驗機Fig.4 Tensile test machine

表2 PLA FFF薄板的幾何及材料特性參數Tab.2 The dimensions and material property of FFF plate made of PLA

3.2 固有特性

3.2.1 幅值相同、頻率不同振動加工的影響

表3 利用幅值相同、頻率不同的振動加工的FFF薄板固有特性的試驗結果Tab.3 Experimental results of the inherent characteristics of the FFF plate built using the vibration of the same amplitude but different frequencies

3.2.2 頻率相同、幅值不同振動加工的影響

表4 利用頻率相同、幅值不同的振動加工的FFF薄板固有特性的試驗結果Tab.4 Experimental results of the inherent characteristic of the FFF plate built using the vibration of the same frequency but different amplitudes

3.3 振動響應對比

3.3.1 幅值相同、頻率不同振動加工的影響

圖5 利用幅值相同、頻率不同的振動加工的FFF薄板的前3階平均振動響應Fig.5 The first three-order average vibration response of the FFF plate built using the vibration of the same amplitude but different frequencies

表5 利用幅值相同、頻率不同的振動加工的FFF薄板振動響應的試驗結果Tab.5 Experimental results of the vibration response of the FFF plate built using the vibration of the same amplitude but different frequencies

3.3.2 頻率相同、幅值不同振動加工的影響

圖6 利用頻率相同、幅值不同的振動加工的FFF薄板的前3階平均振動響應Fig.6 The first three-order average vibration response of the FFF plate built using the vibration of the same frequency but different amplitudes

表6 利用頻率相同、幅值不同的振動加工的FFF薄板振動響應的試驗結果Tab.6 Experimental results of the vibration response of the FFF plate built using the vibration of the same frequency but different amplitudes

4 結 論

本文通過試驗研究了利用不同頻率或幅值的振動加工對熔絲成型(FFF)產品固有特性、振動響應等動力學特性參數的影響規律。具體結論如下：

(1)利用振動加工可以降低FFF產品的固有頻率，且隨著振動頻率或幅值的增加，固有頻率將進一步降低；而模態振型保持不變，即前3階振型分別為一階彎曲、一階扭轉和二階彎曲。

(2)利用振動加工可以降低FFF產品的振動響應(即提高抗振能力)，且隨著振動頻率或幅值的增加，響應將進一步降低。

(3)利用振動可以改善FFF產品的動力學性能，且隨著振動頻率或幅值的增大，動力學性能進一步提升。

(4)本文提出利用振動加工改善FFF產品動力學特性的方法(即將壓電陶瓷與FFF設備相結合，以將振動引入FFF過程)，研究成果可以為FFF技術的進一步發展做出一定的貢獻。