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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。

    如图6所示,其中纵轴ABS-M30采用左边坐轴,PPSF和Ultem 9085采用右边坐标轴。分析曲形状可以看到,ABS断裂前出现明显的屈服现象,属于韧性断裂。从FTIR分析结果可以看到,ABS含有柔性单元丁二烯,这与拉伸性能测试结果一致。而PPS和Ultem 9085 2种材料强度较高,都呈现明显的脆性断裂,FTIR分析结果也表明这2种材料成分主要为一些刚性基团。分析传统注射成型与3D打印样条的拉伸性能,可以发现两者区别不是很大,这说明采用3D打印方式进行合理规划打印路径能够有效抵消由于孔隙存在带来的材料力学性能的下降。

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    图6 ABS-M30、PPSF和Ultem 9085分别采用传统注塑与45°打印时的拉伸性能

2.2.2 弯曲强度

    从图7可以看出,同一放置角度打印时,使用T16喷嘴成型的弯曲测试样条比T12喷嘴打印样条弯曲强度值高。采用同一喷嘴,T12和T16均表现为随着放置角度的增加,弯曲强度逐渐增大的趋势。具体表现为T16喷嘴90°放置的最大弯曲强度值为67.18 MPa,T12喷嘴9O°放置的最大弯曲强度值为65.43 MPa。

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    图7 AB M3O采用T16和T12喷嘴不同放置角度打印的弯曲强度

    从图8可以看出,随着放置角度的增加,这3种丝材均表现为弯曲强度逐渐增大的趋势。其中ABSM30由于本身韧性较好,随着放置角度的增加弯曲强度略有增加,而PPSF、Ultem 9085的弯曲强度增加值较大。在放置角度为90°时,ABS-M30、PPSF和Ultern 9085分别达到各自弯曲、强度最大值,分别是67.18、113.18、128.41MPa。

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    图8 AB M3O、PPSF、Ultem 9085采用T16喷嘴不同放置角度打印的弯曲强度

2.2.3 冲击强度

    从图9可看出,同一打印放置角度时,T16喷嘴打印测试样条的抗冲击性能优于T12喷嘴。采用同一喷嘴打印,随着打印放置角度的增加,样条的冲击性能先增加后减小。

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    图9 T16和T12喷嘴不同放置角度打印ABS-M30时的冲击强度

    如图10所示,AB M3O、PPSF和Uhem 9085的冲击强度均表现出随着打印放置角度的增加而先增大后减小的趋势。其中0°~45°范围内增加的幅度较大,45°-90°减小的幅度较小。这主要是由于打印放置角度会影响丝材堆积过程排布所导致的。在放置角度为45°时ABS-M'30、PPSF和Ultem 9085分别达到各自冲击强度 的最大值,分别为45.56、89.97、111.28 ld/m ,这些值略低于传统挤塑模塑成型方式测得的冲击强度值。由于3D打印过程中为了控制成型时候材料收缩率,提高及时固化性能,会减少一些韧性添加剂加入量,一定程度上会导致冲击强度的下降。

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    图10 不同放置角度时采用T16喷嘴打印ABS-M30、PPSF、Ultem 9085的冲击强度

3 结论

    (1)相比于传统塑料件挤塑模塑成型方式而言,采用3D打印成型方式对成型件的拉伸强度影响不大,冲击和弯曲强度略有增加;

    (2)不同喷嘴型号会影响拉伸、冲击强度、弯曲强度;拉伸、弯曲、冲击三者的综合性能均表现为T16喷嘴优于T12喷嘴;

    (3)综合比较ABS-M30、PPSF、Ultem 9085这3种测试丝材,其拉伸、弯曲和冲击强度均表现为ultern 9085>PPSF>ABS-M30;

    (4)打印成型过程中打印放置角度不同会很大程度影响材料的力学性能;随着放置角度的增加,ABSM30、PPSF、Ultem 9085呈现相同的变化规律:拉伸、冲击强度表现为随着打印放置角度的增加先增大后减小,弯曲强度表现为随着打印放置角度的增加而逐渐增大。

责任编辑:张纯子
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