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FDM快速成型工艺对成型件力学性能的影响

2017/11/20    来源:互联网    作者:刘亚  何冰  陈鹏飞  赵海超  薄夫祥      
关键字:快速成型  放置角度  填充方式  力学性能  
基于熔融沉积成型(FDM)技术,研究了不同材料、成型件放置角度和喷嘴型号对成型件力学性能的影响,得到具有最佳力学性能的打印工艺。分别以美国Stratasys公司生产的ABS-M30、PPSF和Ultem 9085打印材料为研究对象,采用常规填充方式,以xy平面为基准面,0°~9O°范围内分别设置不同放置角度打印并测试其力学性能。结果表明,45°角放置样件的拉伸和冲击强度最佳;随着放置角度的增加,样件弯曲强度也随之增大;采用相同放置方式成型测试样件,T16喷嘴打印成型件较T12喷嘴打印成型件的力学性能更佳。

0 前言

    三维(3D)打印技术,又称增材制造技术,是一种基于离散一堆积原理,通过计算机辅助设计(CAD)数据模型直接制作零件或模型的技术,与机器人技术、人工智能技术一起被称为能带来“第三次工业革命”的核心技术。相比于传统制造技术去除一切削的加工制造方式,3D打印是一个从无到有的制造过程,打印过程中材料按照既定的形状逐层叠加增长形成最后的制件。

    3D打印技术相比于传统机加工制造方式,具有明显的优点。它由于不需要进行复杂的开模过程,能够直接通过CAD数据模型成型得到最终产品,能够明显缩短新产品开发周期和避免高昂的模具费用,不受产品结构复杂性影响等优势而受到国内外研究人员的广泛关注。3D打印不仅克服了传统制造原材料损耗的问题,而且使得产品成型过程更加智能高效。

    FDM技术是3D打印成型技术的一种,它是将丝状的热熔性材料加热融化,同时3D喷头在计算机的控制下,根据截面轮廓信息,将材料选择性地涂敷在工作台上,快速冷却后形成一层截面,依此循环,最后层层堆积成型。

    由于3D打印技术具有区别于传统制造技术的特点,在成型过程中不同的成型方式对最终产品力学性能影响很大,例如不同的放置位置会导致纤维取向方向不同,不同的填充方式会影响成型件孔隙率的大小等,这些都会直接导致成型零部件的使用性能发生改变。目前,国内外关于3D打印成型工艺对产品力学性能影响的系统性研究报道还十分少见。本文选用目前应用最为广泛的一种3D打印技术——FDM技术为研究对象,根据其逐层填充的成型特点,选择3种具有代表性的工程塑料(ABS-M30、PPSF和Ultem 9085)为研究载体,以打印平台cry平面为基准面,研究不同成型放置角度和不同的喷嘴型号对成型件力学性能的影响,对其拉伸强度、弯曲强度和冲击强度进行测试。每组测试分别进行5次,取其结果平均值进行分析,获取不同成型工艺下不同成型件的力学性能。

1 实验部分

1.1 主要原料

    ABS-M30、PPSF、Ultem 9085,美国Stratasys公司。

1.2 主要设备及仪器

    FDM快速成型机,Fortus 900mc,美国Stratasys3D打印机开发公司;

    傅里叶变换红外光谱仪(FTIR) Nexus智能型,美国Thermo Nicolet公司;

    万能试验机,WDW-A,济南瑞马机械设备有限公司;

    摆锤冲击试验机,XJL-300D,承德市世鹏检测设备有限公司。

1.3 样品制备

    测试样件采用Stratasys公司生产的Fortus900mc快速成型设备直接制备得到,打印完成后用砂纸将样条表面打磨至光滑无缺口,尺寸完全符合力学性能测试国家标准要求,钡0试条件及内容如表1所示;

    测试过程中放置角度设计为以打印平台为基准,从0°逐渐增加至90°,以拉伸样条为例说明,具体放置示意图如图1所示;

    1

    图1 打印放置方式示意图

    如图1所示,0°为测试样条最大横截面平行于打印平台底面,此时两者夹角(α)为0°,随着夹角a逐渐增大,认为测试过程打印放置角度逐渐增加,直至最大横截面垂直于打印平台,此时夹角角度α为90°;

    测试过程中分别采用T12和T16 2种型号喷嘴对丝材进行打印,其中,T12和T16喷嘴的结构如图2所示。从图2可以看出,T12喷嘴与T16喷嘴主要差别在于喷嘴半径(R)不同,T12喷嘴半径较小,T16喷嘴直径较大;因此,分别采用T12和T16喷嘴成型件的层厚不同。测试表明,T12喷嘴成型件每层厚度为0.178 mm,而T16喷嘴成型样件的层厚办0.254 mm;不同的分层厚度会对成型件的力学性能产生影响。

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    图2 T12喷嘴和T16喷嘴示意图

1.4 性能测试与结构表征

    按GB/T1040-2006测试材料的拉伸性能,测试速率为5 mm/mim

    按GB/T1043.1-2008测试材料的悬臂梁无缺口冲击性能,摆锤能量为l5J,试样尺寸为80mm×10mmX4mm ;

    按GB/T9341-2008测试材料的弯曲性能,测试速率为2mm/min,试样尺寸为80mmx10mm×4mm。

2 结果与讨论

2.1 FTIR分析

    测试所用原材料均来自Stratasys公司成品,而由于目前3D打印相关原材料标准体系不够完善,难以直接通过产品牌号判断具体成分。所以为了进一步确定测试材料成分,采用FTIR分别对于ABS-M30、PPSF和Ultem 9085丝材进行分析。

    如图3(b)所示,其中702、758 cm-1两处的吸收峰是苯环上的氢的面外弯曲振动吸收,1604 cm-1 的吸收峰对应苯环的骨架振动,1735、1810、1874、1952 cm-1处均在较小的吸收峰,说明存在单取代苯,是苯乙烯的特征收峰,2237cm-1处的吸收峰对应ABS中丙烯腈上-CN的红外吸收,2923 cm-1处的吸收峰对应丁二烯的振动吸收。此外,在907、963.1451、1499cm-1处均存在较明显的红外吸收峰,这表明ABS-M30除了存在ABS之外,还存在其他物质。对应标准FTIR光谱,查询得到该物质为低黏度改性环氧树脂,目的是为了减小打印冷却过程中丝材的收缩率、提高加工性能。

    如图3(b)所示,Ultem 9085的FTIR谱图在3066cm-1和1599cm-1处的吸收峰为N-H伸缩和弯曲振动吸收峰,2968cm-1处的吸收峰为C-H伸缩振动峰,1409cm-1为C-N键伸缩振动吸收峰,1599、1478、1358cm-1处为苯环振动吸收峰。1205cm-1和1230cm-1处的吸收峰代表存在连接苯环上面的醚键,1320cm-1处为碳氧单键吸收峰,1777cm-1处存在较明显的吸收峰,说明羰基存在。低波数处(710~800cm-1)存在很多峰,同时625、677、718、743cm-1处均出现较尖锐吸收峰,说明苯环上面同时对苯取代和间苯取代。

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    图3 ABS-M30、PPsF、Ultem 9085的FTIR谱图

    分析PPSF的FTIR曲线,曲线中同样具有苯环、N—H键、C—O键、甲基等官能团的特征吸收峰。在1125、1320cm-1处的2个特征吸收峰分别为PPSF硫氧双键不对称伸缩和对称伸缩的吸收峰。低波数处677、716、824cm-1处的吸收峰说明PPSF中存在对苯取代。

2.2 力学性能分析

2.2.1 拉伸强度

    由图4可知,采用普通填充方式打印时T16喷嘴综合拉伸性能普遍优于T12喷嘴。这是由于T16喷嘴丝材半径较T12的大,拉伸时候单根丝材强度较高,不易出现缺陷点。同时T12喷嘴打印样件孔隙率较T16喷嘴要高,不利于强度提升。

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    图4 ABS-M30分别采用T16和T12喷嘴不同放置角度打印时的拉伸强度

    从图5可以看出,采用T16喷嘴打印时拉伸强随着放置角度的增加表现出先增大后减小的趋势,45放置时拉伸强度达到最大值。这与丝材的取向有关0°放置时单根丝材的拉伸取向方向垂直于测试方向,此时强度最低。90°放置时丝材拉伸取向平行于测方向,强度提高,但此种方式在测试过程中一旦出现断裂就会性能缺陷并迅速扩展开来,45°放置时线材取向与拉伸方向也保持一致,并且此种放置方式可以减缓裂纹扩展的速度,强度进一步得到提高,ABS-M30、PPSF和Ultem9085的拉伸强度分别达到最大值37.2、58.8、73.44 MPa。

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    图5 不同放置角度打印时T16喷嘴打印ABS-M30、PPSF和Ultem 9085的拉伸强度

责任编辑:张纯子
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