基于fdm的大尺寸薄壁类3d打印件硬度的工艺分析与研究-董伟.pdf

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1、第46卷第2期2018年2月塑料工业CHINA PLASTICS INDUSTRY基于FDM的大尺寸薄壁类3D打印件硬度的工艺分析与研究董伟1，杨向东2，+(1广东环境保护工程职业学院机电工程系，广东佛山528216；2广州华立科技职业学院机电与信息工程学部，广东广州511325)摘要：介绍了3D打印技术及其分类，并针对熔融沉积3D打印大尺寸薄壁类件的硬度影响工艺因素进行了重点分析；设计并制造出试验加工模型，制定正交打印试验方案；研究了层高、填充密度、打印速度与喷头温度对打印样件硬度的影响；采用极差分析法制定了最合理的工艺参数组合，保证了打印产品的成型硬度，为3D打印技术推广与应用提供理论支持

2、。关键词：FDM；3D打印；硬度实验；分析doi：103969jissn1005-5770201802006中图分类号：THl6 文献标识码：A 文章编号：10055770(2018)02002304Process Analysis and Research on Hardness of Largesized andThinwalled 3D Printing Based on FDMDONG Wei 1，YANG Xiangdon92(1Mechanical and Electrical Engineering Department，Guangdong Polytechnic of Envi

3、ronmental protectionEngineering，Foshan 528216，China；2Department of mechanical and electrical and information engineering，Huali College Guangdong Universityof Technology，Guangzhou 5 1 1 325，China)Abstract：This article described the 3 D printing technology and its classificationAiming at the factorsaf

4、fecting the hardness of the largesized and thinwalled 3 D printing parts，the technological factors wereanalyzedThe influence of the height，packing density，printing speed and nozzle temperature on thehardness of the printed sample was studiedThe most reasonable combination of process parameters wasde

5、veloped by means of the range analysis method，which guaranteed the printing of the molding hardness ofthe product and provide theoretical support for the promotion and application of 3 D printing technologyKeywords：Fused Deposition Molding；Three-dimensional Printing；Hardness；Experiment；Analysis3D打印技

6、术是将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、激光加工技术、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，从根本上突破了机械制造中传统的受迫加工(等材制造)和去除成型(减材制造)两种加工方法、采用了生长型制造的全新工艺方法，也叫增材制造技术0o。按照其加工工艺可以分为选择性激光烧结成型(SLS)、熔融沉积成型(FDM)、光敏树脂选择性固化成型(SLA)等。FDM成型技术以成本较低，易于实现等优势在国内外得到普遍的应用。其工艺原理是将聚乳酸(PLA)、丙烯腈一苯乙烯一丁二烯(ABS)等热熔性材料通过送丝机构带有加热喷头，在Gcode代码的运动下，层层堆积成型所需模

7、型。当前制约FDM成型技术的因素除打印设备及其打印过程稳定性、材料外，打印产品的使用性能如硬度的关注较少，尤其是外形尺寸大于200 mmx200 mm，壁厚在2 mm以下的大尺寸薄壁类产品。本文以大尺寸薄壁类产品的硬度指标为研究对象，通过正交实验，着重研究成型过程的分层层高、填充密度、打印速度、喷头温度等主要打印参数对成型件的硬度影响规律，优化打印工艺，通信作者gzyangxd163con作者简介：董伟，男，1979年生，讲师，硕士，主要研究方向为先进制造技术。3469075qqcom万方数据塑料工业为桌面型3D打印机的推广与应用提供理论支持。1试验材料与设备11打印材料与建模打印材料选用广州

8、立铸电子科技有限公司提供的PLA级材料，其材料性能如表1所示。表1 FDM 3D打印耗材性能表Tab 1 Typical faults and its elimination metllods of parameter setting耗材PLA PLA+ ABS ABS+打印温度底板温度密度gca。热变形温度熔体质量流动速率g(10min)“拉伸强度MPa断裂伸长率弯曲强度MPa弯曲模量MPa悬臂梁冲击强度l(Jm。2190210 205220 220260 2202606080 6080 110 110124 124 104 10656 52 78 735 2 12 1565 60 43 4

9、08 29 22 3097 87 66 683600 3642 2348 24434 7 19 42使用UGl00软件生成大尺寸薄壁类零件三维图，外观尺寸为200 mmx200 mmx45 mm，壁厚为14 mm，几何模型如图l所示。然后导出成stl文件，并使用Cura软件进行CAM成型加工，如图2所示一图1模型CAD图Fig 1 Model CAD figure图2模型3D打印软件图Fig 2 Model 3 D printing software diagram12 3D打印设备使用Allcct yinke 300FDM成型设备，其成型尺寸为300 mmx300 mmx400 ml-fl，

10、XY轴的定位精度为0004mill，Z轴的定位精度为0002 5 nl_ln，如图3所示。图3 Yinke 300 FDM型3D打印机Fig 3 Yinke 300 FDM 3D printer13硬度检测设备与方法FDM型3D打印PLA线材过程中，热塑性线材在高温下经历了固相一熔融相一固相的相相转变，其物理形态的变化必将对其硬度等力学性能产生影响。尤其是FDM成型大尺寸薄壁类零件时的各项工艺参数，将对其硬度产生较大影响。根据ISO 8681986标准，邵氏硬度计分为邵氏A型硬度计适用于中低硬度塑料、皮革、各类橡胶、多元脂、蜡等硬度的测试。邵氏C型硬度计是测定压缩率为50时，应力为05 kgc

11、m2以上的含有发泡剂制成的橡塑微孔材料硬度，也可用于类似硬度的其他材料。邵氏D型硬度计适用于一般硬橡胶、硬树脂、压克力、玻璃、热塑性塑胶、印刷板、纤维等高硬度材料的硬度测试。产品参照HGT 2489及其它相关标准。按硬度计压针形状分为A型、c型和D型三种硬度计的型号及参数见表2所示。图4便携式D型邵氏硬度计Fig 4 Portable D-type shaw hardness tester表2硬度计型号表Tab 2 Hardness tester models万方数据第46卷第2期 董伟，等：基于FDM的大尺寸薄壁类3D打印件硬度的工艺分析与研究 。25根据以上分析，本试验采用数显邵氏D型硬度

12、计进行3D打印大尺寸薄壁类零件的硬度检测。如图4所示。检测时，以手抓紧硬度计，使压足与试样均衡紧压(使用压力见上表2)，l s时表中指示的读数，以测五个点的平均值为该试样的硬度。2 3D打印正交实验21试验方案在FDM型3D打印PLA线材过程中，热塑性线材在高温下经历了固相一熔融相一固相的相相转变，其物理形态的变化必将对其硬度等力学性能产生影响。尤其是FDM成型大尺寸薄壁类零件时的各项工艺参数，将对其硬度产生较大影响。因此，选取对FDM成型打印件硬度影响较大的主要工艺因素：层高、填充密度、打印速度与喷头温度为基础，设计四因素三水平的正交打印试验，如表3所示。模型打印时除正交工艺参数外，其余参数

13、设置为默认值。采用极差分析法研究各因素对于大尺寸薄壁类零件硬度的影响。表3 3D打印工艺的正交实验表Tab 3 Orthogonal experimental table of 3D printing process22打印件形貌样件7的外观形貌如图5所示。由图5可以看出，样件整体比较平整，但有少许拉丝现象。这是由于打印过程挤出速度较大，填充过程中丝材被拉细所致o。图5打印样件7外观分析Fig 5 Print sample 7 appearance analysis样件1、2、3由于层厚较小，表面光滑，无翘曲现象。样件4、5、6完好。样件8、9材料表面出现小鼓泡。3试验结果分析考虑打印件的不同

14、工艺下的实心壁厚较薄，为了便于硬度检测，每种工艺下同时打印出直径为50mm，厚度为5 mm的辅助件测量各样件的硬度。另外，为了对比起见，以实心100填充，以工艺条件7的参数打印出直径为50 mm，厚度为5 mm的对比件，使用数显D型邵氏硬度计测量出来的硬度平均值为774 HD。各样件测量的结果如表4所示。根据表4中硬度值的测试结果，采用极差分析法计算不同因素水平下硬度的平均值和极差，分析各工艺参数对大尺寸薄壁类样件的影响规律。如表5所示。表4各组打印样件的硬度值Tab 4 Hardness values of printed samples in each groups工艺序号31极差分析各影

15、响因子不同水平对应考察指标值和的最大差值R，称为极差。不同水平的极差值越大，表明该控制因子对考察指标的影响程度越大。从表5极差分析结果可知，工艺参数对大尺寸薄壁类样件硬度误差的影响大小依次为：层高填充密度打印速度喷头温度。表5硬度误差的均值与极差值Tab 5 Mean and range values of hardness en_0rs32交互作用分析根据正交实验的特点，在考虑各因素交互作用时，不可能把各个影响硬度值的因素都考察到。根据经验，影响大尺寸薄壁类样件FDM成型过程中标准件硬度的层高因素及填充密度因素需要匹配，它们之间的交互影响规律如表6所示。度一oo一，jo6硬一弛他，记乃，万方

16、数据26 塑料工业 2018年表6层高与填充密度交互作用下硬度误差Tab 6 Hardness elTor between storey and filling density由表6可看出，在填充密度为30、层高为03mm时，FDM成型大尺寸薄壁类样件的表面硬度最大，为785 MPa，接近于光敏固化成型(SEA)3D打印工艺产品的硬度值(按ASTM D2240标准，其值为邵氏80以上)，但远高于DLP(数字光处理)成型件的硬度。通过极差和交互作用分析，在FDM型3D打印大尺寸薄壁类样件工艺过程中，各成型工艺因素对成型件硬度的影响程序依次为层高填充密度打印速度喷头温度。在以硬度指标为考量的FDM

17、 3D打印大尺寸薄壁类样件的最佳工艺方案为A：B，c，D，。4结论1)以FDM型3D打印成型件的硬度为研究对象，开展了大尺寸薄壁类零件的CADCAM的设计与制造研究，并进行硬度检测。2)从影响FDM型3D打印大尺寸薄壁类成型件硬度的众多工艺因素中选出层高、填充密度、打印速度与喷头温度进行正交试验设计与试验，分析得出各因素对成型件硬度的影响规律。3)最终得到以FDM型3D打印大尺寸薄壁类成型件最大硬度为优化目标的前提下，最佳的工艺组合为A283C3D1。参考文献1王运赣，王宣黏结剂喷射与熔丝制造3D打印技术M西安：西安电子科技大学出版社，20162唐通鸣，张政，邓佳文，等基于FDM的3D打印技术

18、研究现状与发展趋势J化工新型材料，2015(6)：228-2303韩江，王益康，田晓青，等熔融沉积(FDM)3D打印工艺参数优化设计研究J制造技术与机床，2016(6)：1391424杨向东，张鹏飞，陈文军，等桌面型3D打印机工艺研究J机电工程技术，2016，45(4)：65675胡邓平，文泽军，陈裕和，等基于3D打印技术的FDM薄板塑件表面成型精度试验研究J中国塑料，2017，31(2)：82-876田玉琬，文成，安芬菊，等FDM 3D打印件翘曲变形的工艺分析与优化J轻工科技，2016，45(4)：65677杨向东，莫煦健，张鹏飞FDM型3D打印机典型故障诊断与维修J机电工程技术，2017(

19、7)：1021048杨向东熔融沉积3D打印设备常见故障诊断与维护J工业技术创新，2017(4)：77809田玉琬，文成，安芬菊，等FDM 3D打印件翘曲变形的工艺分析与优化J轻工科技，2016，45(4)：61-6210李磊基于FDM成型技术的3D打印工件机械性能及质量研究分析D广州：华南理工大学，2016(本文于20171115收到)(上接第14页)6ABDRHMAN M J M，ZHANG L Y，ZHANG W，et a1Crosslinked powder butadieneaerylonitrile rubber as compatibilizer of PA6PC blendsJJ

20、 Polym Mater，2009，26(1)：911017李志君，郭宝华PPg一(GMA-COSt)对PA6一PC共混合的反应增容作用J高等学校化学学报，2001(7)：124412488迟爱丹PCPA6与PCPBT合金的制备及性能研究D济南：齐鲁工业大学，20159TJONG S C，MENG Y ZStructuralmechanical relationshipof epoxy compatibilized polyamide 6polyearbonate blendsJMater Res Bull，2004，39(11)：1791-180110 1 DELKASH M，NADERI

21、G，SAHRAIEYAN R，ESMIZADEH E Crystallization，structural and mechanicalproperties of PA6PCNBR ternary blends：Effect of NBRg-GMA compatibilizer and organoclayJSci EngCompos Mater，2016，24(5)：6696781 1GATTIGLIA E，TURTURRO A，PEDEMONTE EBlendsof polyamide 6 with bisphenolA polycarbonateIThermalproperties and compatibility aspectsJJ Appl PolymSci，1989，38(10)：1807181812陈晓东，王锡军，王欢，等PA6PC合金的制备及其性能影响J塑料工业，2017，45(6)：3942(本文于20171115收到)欢迎订阅!欢迎投稿!欢迎刊登广告!万方数据