基于熔融堆積技術研究加工路徑與產品性能關系

閆勇增　聶文忠　房光開　周迪

(上海應用技術學院，上海,201418)

基于熔融堆積技術研究加工路徑與產品性能關系

閆勇增聶文忠房光開周迪

(上海應用技術學院，上海,201418)

摘要：基于熔融堆積技術制作不同加工路徑的試樣，通過拉伸試驗和彎曲試驗，研究試樣的拉伸性能和彎曲性能。結果表明:試樣的拉伸性能和彎曲性能隨加工路徑角度增加而減小，而且平放式試樣的拉伸性能和彎曲性能好于立式試樣的。制作零件時，根據零件受力部位的特點選擇不同加工方式可以提高零件強度。

關鍵詞：熔融堆積技術加工路徑拉伸性能彎曲性能

快速成型技術是集計算機輔助設計及制造技術、逆向工程技術、分層制造技術(SFF)、材料去除成型、材料增加成型技術等為一體的多學科、多技術交叉的先進制造技術，又稱三維打印[1]。熔融堆積成型(FDM)技術屬于快速成型技術的一種，由美國Scott Crump博士于1988年率先提出的。這種工藝不用激光，使用、維護簡單，成本較低，用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)制造的原型因具有較高強度而在產品設計、測試與評估等方面得到了廣泛應用。

FDM技術快速成型產品的機械性能與絲材黏結強度、填充間隔、分層厚度等有關[2]，目前多數研究集中在分層厚度、填充間隔等參數優化或者提高絲材黏結強度方面。下面通過改變每一層的加工路徑和加工時試樣放置方式，使上下層、層與層之間路徑按計劃疊加、熔融，從FDM制件的拉伸性能和彎曲性能2個方面研究加工路徑和放置方式與制件性能的關系。

1試驗部分

1.1 主要原料及設備

ABS,P430,Stratasys公司?？焖俪尚蜋C,FDM200MC,Stratasys公司;萬能材料試驗機，LEGEND 2382,美國Instron英斯特朗公司。

1．2 試樣制作

利用分層軟件將三維模型數據分成若干層，規劃好每一層掃描路徑，吐絲噴嘴按照掃描路徑移動，逐層快速堆積疊加，最后制作成所需零部件。

按照技術發展順序加工路徑可分為來回掃描、分區域掃描、分形掃描、螺旋線掃描，環形掃描等等[3]。下面采用來回掃描路徑制作試驗樣片，Insight軟件中掃描路徑默認角度a在45°，層與層之間路徑角度b為90°(見圖1)。圖1中實線為某一層路徑，虛線則為相鄰層路徑，實線層與虛線層交錯疊加。

圖1　 角度a和角度b示意

試驗根據加工路徑不同共制作28種試樣(如表1所示)，A系列拉伸試樣和B系列彎曲試樣的加工路徑相同，幾何形狀不同。

表1　試樣規格

試樣A0x和試樣B0x是平放式制樣，試樣A1x和試樣B1x是立式制樣(如圖2所示)。

圖2　 試樣放置方式

1．3性能測試

拉伸試樣根據GB/T 1040.2—2006 制定，采用1A型，150 mm×20 mm×4 mm，窄平行部分長度80 mm，寬平行部分間距108 mm。

彎曲試驗樣條根據GB/T 9341—2000制定，尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，彎曲速度1 mm/min。

2結果與討論

2.1拉伸試驗

表2為拉伸試驗測量數據。

表2 拉伸試驗結果

從表2可以看出，隨著加工路徑角度a增加，試樣承受最大拉伸載荷依次減小。A01試樣最大拉伸載荷1 474.0 N，抗拉強度36.8 MPa，而A07試樣最大拉伸載荷只有729.1 N，抗拉強度18.2 MPa，說明平放式試樣拉伸強度受加工路徑角度a影響較大。A11試樣最大拉伸載荷1 366.5 N，抗拉強度34.2 MPa，A17試樣最大拉伸載荷1 066.1 N，抗拉強度26.0 MPa，可見立式試樣拉伸強度受加工路徑角度a影響較小。在0°～45°內，相同角度時，平放式試樣抗拉強度大于立式試樣抗拉強度；在60°～90°內，相同角度時，立式試樣抗拉強度大于平放式試樣的。

圖3為平放式拉伸試樣斷面。

從圖3可以看出，A01試樣斷面平齊，熔融細絲橫截斷面清晰，相鄰層間的ABS絲相互交疊且形狀接近于橢圓。A07試樣斷面平整，熔融細絲一層層排列清晰可見。對比A01和A07斷面可知，A01試樣的熔融細絲被軸向拉斷，A07試樣則是熔融細絲間黏合處被撕開，黏合處抗拉強度遠遠小于熔融細絲的抗拉強度。A01試樣最大拉伸載荷最大是因為制作時噴嘴擠出的每一根細絲軸向方向經熔融堆疊后與拉伸方向平行，每一根細絲均承受拉力，A07試樣則是每一根細絲軸向方向與拉伸方向垂直，熔融細絲之間的黏合力主要承受拉力，A02至A06試樣最大拉伸載荷介于A01，A07之間并且依次變小，這是由于隨著角度a增加，黏合力承受越來越多的拉力，而黏合力提供的抗拉拉力很小，導致A02至A06試樣的最大拉伸載荷逐漸變小。黏合力受其加工溫度、分層厚度影響，增加黏合力大小，可以提高試樣的拉伸性能。

圖3　平放式拉伸試樣斷面

2．2 彎曲試驗

表3是彎曲試驗測量數據。

表3　彎曲試驗測量數據

從表3得出，加工路徑對產品彎曲性能影響顯著，與拉伸試驗所引起的試樣性能參數變化基本一致，平放式彎曲試樣和立式彎曲試樣最大彎曲應力及彎曲強度均隨加工路徑角度a的變大而逐漸變小。當角度a相同時，平放式彎曲試樣的彎曲強度大于立式彎曲試樣的。

對于平放式彎曲試樣，角度a在0°～45°，彎曲強度基本上呈線性變化并逐漸減小，a在45°～90°，彎曲強度變化不大。B01試樣最大彎曲應力和彎曲強度最大是因為施加彎曲載荷的方向與加工路徑方向垂直，每一根熔融細絲均可以承受彎曲載荷，而試樣B07施加彎曲載荷的方向與加工路徑方向雖然垂直，但是基本由熔融細絲間的黏合力承受彎曲載荷，所以B07試樣彎曲強度最小。

3結論

a)FDM快速成型產品的抗拉強度和抗彎強度隨加工路徑角度a增加而逐漸減小。角度a在0°～30°的產品適用于單一載荷場合或者某單一載荷主導的的場合，角度a在30°～60°的產品適用于多種載荷，不建議將加工路徑設置在60°～90°。

b)平放式試樣的性能好于立式試樣的。因此，制作復雜零件時，根據零件受力部位的特點選擇不同加工方式可以提高零件強度。

c)增加熔融細絲間的黏合力可以提高FDM制件的性能。

參考文獻

[1]王成燾,李祥,袁建兵. 三維打印技術與制造業的革命[J]. 科學(上海),2013,65(3)：21-45.

[2]楊航. 3D技術在機械零部件逆向工程中的應用[J].中州煤炭,2015,(1):92-94.

[3]張媛.熔融沉積快速成型精度及工藝研究[D].大連:大連理工大學,2009.

The Relationship Between Machining Path and Product Properties Based on Fused Deposition Modeling Technique

Yan Yongzeng Nie WenzhongFang Guangkai Zhou Di

(Shanghai Institute of Technology,Shanghai,201418)

Abstract：Different samples were prepared by different machining paths based on fused deposition modeling(FDM) technology. Those samples were studied by tensile test and flexural test. The results show that the tensile and flexural properties of the sample decrease with the increasing of the machining path angle, Moreover, the tensile and flexural properties of flat type sample are better than those of the vertical sample. When producing parts, according to the characteristics of force parts of parts, choosing different processing methods can improve the part strength.

Key words：fused deposition modeling technology; machining path; tensile properties; flexural properties

收稿日期：2015-09-30;修改稿收到日期:2015-12-20。

作者簡介：閆勇增(1987-)，男，研究生，研究方向為材料成型技術。E-mail：yanyongzeng2007@126.com。

DOI:10.3969/j.issn.1004-3055.2016.02.016