3D打印层厚参数对零件力学性能影响的研究

杨琦 糜娜

摘  要：文章用实验的方法分析了3D打印工艺中“分层”参数对产品质量和打印效率，拉伸、压缩、扭转等力学性能的影响，为3D打印模型时合理选择分层参数提供了参考依据。

关键词：3D打印;力学性能;分层

中图分类号：TQ320.6       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）30-0052-03

Abstract： In this paper， the effects of "layering" parameters on product quality and printing efficiency， mechanical properties such as tension， compression and torsion in 3D printing process are analyzed experimentally， which provides a reference for reasonable selection of layering parameters in 3D printing model.

Keywords： 3D printing; mechanical properties; layering

3D打印是利用打印頭、喷嘴及其他打印技术，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺[1]。随着3D打印技术的不断发展，桌面级的3D打印机以其较好的打印质量、低廉的价格成为消费市场的宠儿，得到了广泛的应用。虽然3D打印的加工精度不及机械加工要求高，但选择合理的加工工艺参数，可以尽可能地满足产品质量要求的同时提高其经济效益。3D打印的参数主要有成型方向、层厚、填充密度、打印质量（速度）、密闭参数、支撑参数等，不同的参数组合打印出产品的质量也不尽相同，其力学性能也有较大区别。本文主要以3D打印工艺中的“层厚”参数的变化分析产品制造过程的影响，用试验的方法验证其力学性能的影响，并给出建议方案。

1 研究的条件

1.1 使用设备

北京太尔时代的UP BOX+型桌面级3D打印机，采用熔融挤出成型（MEM）工艺，成型空间尺寸为255×205×205mm，具有全封闭打印室，其切片及控制软件为UPSTUDIO，版本为2.0.0.8，如图1所示。

UPBOX+采用的机械结构是笛卡尔直角坐标式，结构简单、紧凑、刚度好，喷头移动灵活，是目前3D打印机主流的结构，其中X轴和Y轴采用的是同步带传动，Z轴采用的是滚珠丝杠传动，如图2所示。

1.2 选用材料

MEM工艺采用丝状的热熔性材料作，通过加热熔化后从喷头挤出来，依次堆积成型。工程塑料具有可塑性强、力学性能优及加工性能好等优点，材料的成分、形状（尺寸）等直接影响打印件的性能，试验采用原厂生产的1.75mm直径的ABS和PLA材料，默认的打印温度分别为270℃和210℃。

1.3 试验机及模型的制备

试验选择力学中主要的三个性能指标：拉伸[2]、压缩[3]和扭转作为分析对象，采用WEW-300型微机屏显液压万能试验机，NJ-50B型扭转试验机对试件进行测定。

使用CERO软件构建试件的三维模型，包括拉伸、压缩和扭转，如图3所示。

2 层厚参数对打印件的影响

以拉伸试件（竖直放置）为例，采用99%的填充密度、默认的打印质量、密闭参数、支撑参数等参数不变的情况下，以0.1、0.15、0.2、0.25、0.3和0.35mm等6个层厚对试件进行分层，3D打印实际打印的层数分别为1570层、1048层、786层、629层、525层和449层，对应的加工时间和使用材料数，如图4所示。

从图中反映出“层厚”的变化对材料使用量的几乎没有影响，主要是由于分层的原因使打印件尺寸产生了1～2层的偏差导致;“层厚”的变化对打印时间的影响较大，主要是分层的数量与打印的时间成正比关系，即层厚越小、分层数量越大、打印时间越长。0.1mm层厚的打印件质量最好，0.35mm层厚的的打印件质量最差，随着分层厚度的增加打印件质量呈递减的趋势。建议选择0.15-0.25mm的分层厚度。

3 层厚参数对零件力学性能的影响

在填充密度、打印质量、密闭参数、支撑参数等参数不变的情况下，对竖直放置的拉伸试件、压缩试件和扭转试件进行分层，每种规格打印3个试件分别进行测试，最后取中间值进行分析。

3.1 对零件拉伸性能的影响

使用万能试验机，采用0.1、0.2、0.3mm的分层厚度，99%的填充密度，其他参数采用默认的情况下，分别得到ABS和PLA材料的试件抗拉性能（临界拉应力），如表1所示。

从表中可知：随着层厚的增加，零件的抗拉性能呈较明显的下降趋势，低层厚的熔融状态下材料流动性更好，层与层之间“粘黏”的更加致密，其抗拉性能就更好。PLA材料的抗拉性能，随着层厚的增加，下降较为显著，0.3mm层厚时大约为0.1mm层厚时的60%。

3.2 对零件压缩性能的影响

使用万能试验机，对φ30×50mm的试样，采用0.1、0.2、0.3mm的分层厚度，99%的填充密度，其他参数采用默认的情况下，分别得到ABS和PLA材料的试件压缩性能（临界压力），如表2所示。

从表中可知：层厚对打印件性能影响较小，零件的抗压性能随着层厚的增加的下降幅度较小，其中0.1mm和0.2mm层厚的打印件压缩性能相差不大，0.3mm层厚的打印件也可以达到0.1mm的80%左右。

3.3 对扭转性能的影响

采用NJ-50B型扭转试验机，采用0.1、0.2、0.3mm的分层厚度，99%的填充密度，其他参数采用默认的情况下，分别得到ABS和PLA材料的试件扭转性能（最大扭矩），如表3所示。

从表中可知：试件的扭转性能与层厚关系密切，一方面0.2mm层厚打印所成的试件抗扭转性能是最好的，0.3层厚的次之，而0.1层厚的试件抗扭转性能最差;另一方面PLA材料0.1mm层厚时的最大扭矩仅为0.2mm层厚时的67%。

通过以上实验数据，我们不难发现：（1）PLA材料的抗拉强度高于ABS材料，这与材料本身的性能直接相关;（2）较小的分层参数拉伸、压缩性能较好，但扭转性能较差，可以根据产品力学性能的需要进行选择，一般选择0.2mm的分层厚度较佳。

4 结论

本文通过实验的方法，分析了3D打印机的“分层”参数对产品质量和打印效率，拉伸、压缩、扭转等力学性能的影响，为获得较好的3D打印模型提供了重要的分层参数的参考依据。

参考文献：

[1]杨琦，糜娜，曹晶.3D打印技术基础及实践[M].合肥：合肥工业大学出版社，2018：1-3.

[2]彭德权，刘勇.熔融沉积3D打印加工零件性能的探讨[J].电子世界，2018（8）：90-100.

[3]贾先，谭栓斌，雷鸿春，等.3D打印工艺参数对PLA压缩性能的影响研究[J].制造技术与机床，2018（4）：29-32.