工艺参数对FDM成型塑料制品力学性能的影响.pdf

工艺参数对 成型塑料制品力学性能的影响郭 章(贵州装备制造职业学院贵州 贵阳)摘 要:主要研究了打印速度和层高这两个关键工艺参数及其交互作用对采用熔融沉积()方式加工的标准塑料制品试件力学性能的影响规律 以聚乳酸()作为原料采用创想三维的 型 打印机分别制备了填充率在、和 三种情况下不同打印速度和打印层高时试件的抗拉强度并对拉伸试验所获得的数据进行等重复双因素方差分析 研究结果显示:打印速度和层高均对试件抗拉强度有显著影响其中以打印层高影响效果最为显著、和 三种情况中交互作用对试件力学性能的影响也较为显著 在相关采用 工艺制备的塑料制品的设计和使用中应当充分考虑这几个因素的影响关键词:工艺参数 塑料制品 等重复方差分析 力学性能中图分类号:.文献标识码:文章编号:():().()().:引言 打印技术是一种目前已经获得广泛应用的先进制造技术作为一种全新的增材制造技术其具有成本低、效率高和适应性强等优点特别适合小批量定制生产 在众多的 打印技术之中熔融沉积成型()是一种较为成熟的制备塑料产品的打印技术其在教育和文创领域有着十分广泛的应用 成型的流程首先是由用户在三维造型软件中设计出所需打印产品的三维模型然后将三维模型导入切片软件中获得 打印模型然后导入 打印机中进行打印最后对打印的模型进行去丝和打磨等后处理四道工序其中在最关键的打印环节中 打印机的喷头将产生高温熔化 等原材料并通过针孔大小的挤出头将熔融状态的原料沉积在打印平台上从而一层层的堆叠成所需的三维形状在 塑料件的 打印过程中产品的性能受到多种因素的影响如打印温度、填充率、打印层高和打印速度等 其中打印温度和填充率对打印产品的影响已有多位学者进行了研究 本文重点研究在不同的打印速度和打印层高的条件下塑料制品试件力学性能的变化规律 试验材料与方法.试验材料本文试验采用深圳创想三维公司的 线材这是一种优质的 打印耗材被广泛应用在 成型塑料制品的加工中材料的相关参数如表 所示表 试验用 材料的相关工艺参数密度/(/)线材直径/喷头温度/吸水性/拉伸强度/热床温度/溶体流动速度/(/).试验设备本文试验采用深圳创想三维公司 桌面型 打印机该打印机在打印 材料时的推荐打印温度为 推荐热床温度为 打印产品的最大尺寸为 .试验方法为了测试在不同打印速度、打印层高和填充率等工艺条件下试件的力学性能本文拉伸试验按照/.进行 拉伸试样采用 打印直接获得试样的形状和尺寸按照以上国标制备具体形状尺寸如图 3 图 拉伸试样的形状和尺寸首先采用 软件按照图 数据直接绘制试样的三维模型并将模型输出为 格式然后采用 软件对模型进行打印参数设置 本文参考相关研究成果和 打印机的推荐参数设置除打印速度和打印层高以外的主要工艺参数如表 所示表 拉伸试样打印的相关工艺参数打印温度/热床温度/支撑类型/外壳厚度/喷嘴直径/填充类型无.蜂窝形由于试件的力学性能与填充率成正相关而过高的填充率又会增加打印成本和打印时间因此目前工程实践中最常用的打印填充率为、和 打印层高则按照本款打印机 轴螺杆的螺距倍数分别选择 、和 打印速度选择日常最常用区间内的 /、/、/、/为消除试验过程中偶然因素的影响每一种工艺参数制备 组平行试样进行拉伸试验并记录其最大抗拉强度本次试验一共制备了 组拉伸试样图 试验所用打印机 试验结果与讨论在试验过程中打印速度和打印层高的变化对 材料打印试样的抗拉强度的改变具有明显影响但是无法定量确定二者的独立影响水平和它们之间交互作用的影响水平 因此采用可重复双因素方差分析的方式对试验数据进行分析试样力学性能的影响因子为打印速度和打印层高两个因素分别记为因素 和 其交互作用记为 其因素水平如表 所示 由于填充率对试样抗拉强度有着明显影响因此选择打印填充率为、和对试验数据进行分别分析分别记录试验中的抗拉强度如表 至表 所示表 试验因素水平表水平影响因子打印速度/(/)打印层高/.表 双因素作用下的试验数据表(填充率为 抗拉强度单位为)因素()()()()(.).(.).(.).(.).表 双因素作用下的试验数据表(填充率为 抗拉强度单位为)因素()()()()(.).(.).(.).(.).表 双因素作用下的试验数据表(填充率为 抗拉强度单位为)因素()()()()(.).(.).(.).(.).将上表中测得的抗拉强度数值记为 其中 为因素 的水平序号 为因素 的水平序号 设满足()为因素 的水平效应为因素 的水平效应为 和 的交互作用 则考虑打印速度和层高的交互作用取以下分析模型进行计算检验假设条件:不完全相等 不完全相等 不完全相等如果(或)成立则认为因素(或)的影响不显著 分别计算出因素、的偏差平方、的交互偏差平方和和误差平方和当 为真时可以证明 ()取显著性水平为得假设的拒绝域()类似的可以得到 和 的拒绝域具体计算方式如表 所示表 有重复试验双因素方差分析表方差来源 平方和 自由度均方和统计量临界值因素 因素 交互作用()()()()即对于试验中的打印速度和层高两个因素 和 及其交互作用 当其统计量 大于临界值时其对试件抗拉强度的影响显著反之则不显著将表 表 中的数据带入 软件进行计算取置信度.可以计算出本文所需的各个关键指标如表 表 由表、表、表 的计算结果可知在打印填充率为、和 的试验条件下三个因素的 统计量均大于 临界值 因此打印速度和打印层高对试件的抗拉强度都有显著影响其中打印层高的影响最为显著其次为打印速度打印速度和打印层高的交互作用效应显著但其在试样中的效应显著且显著水平明显低于打印速度和打印层高且随着填充率的增加 三个因素的显著性降低这是由于随着填充率的增加试样内部会形成更好的粘连效应从而削弱了每层截面间粘连效应对试样总强度的影响表 填充率为 时的方差分析结果差异源自由度统计量临界值.表 填充率为 时的方差分析结果差异源自由度统计量临界值.表 填充率为 时的方差分析结果差异源自由度统计量临界值.从表、表、表 还可以看出在打印填充率为、和 的试验条件下试样的抗拉强度随着打印速度和打印层高的增加均呈现出逐步降低的规律这是由于过快的打印速度会导致试样在水平方向上的粘接力较弱甚至出现拉丝等缺陷较大的层高会导致试样在 方向上的粘接层数目减少从而降低层与层之间的粘连效应使得试件总体的强度降低 结论本文主要对采用 技术成型的塑料制品试样进行了研究经过相关试验发现:()在打印填充率为、和 三种试验条件下打印速度、打印层高和二者的交互作用对试样抗拉强度均有显著影响其影响效果依次为打印层高打印速度二者交互作用()在三种填充率条件下制备的各组试样其抗拉强度随着打印速度和打印层高的增加均呈现出逐步降低的规律参考文献 李培芬陈德裕.制样工艺对 打印制品的拉伸性能影响研究.计量与测试技术():.赵静魏天路陈兴强等.熔融沉积 打印 制件力学性能影响因素及其数学模型.塑料工业():.邹能钱丽华黄书烽.熔融沉积成型机理与抗弯力学性能试验研究.试验技术与管理():.冯丹艳.基于 技术 打印典型零件的力学性能和质量研究.装备制造技术():.关天民李钰翟贇等.熔融沉积工艺成型材料的力学性能研究.中国塑料():.张紫阳孟家光薛涛等.打印参数对柔性聚乳酸服装面料力学性能的影响.合成纤维():.():.徐良文吴章平陈守军等.工艺参数对 试件力学性能的影响.塑料工业():.基金项目:清镇市软科学研究项目:“数字贵州”视域下贵阳老龄健身产品设计应用研究(清科合同字第 号)贵州装备制造职业学院院级科研项目:工艺参数对 打印试件力学性能和成形质量的影响研究()作者简介:郭章()男汉山东人讲师硕士学历研究方向:工业设计 打印收稿日期: