过程参数对熔丝成型产品结合颈的影响

贠超群， 姜世杰,2， 战 阳， 李常有

(1. 东北大学 机械工程与自动化学院， 辽宁 沈阳 110819； 2. 辽宁省机械装备动力学可靠性重点实验室，辽宁 沈阳 110819； 3. 辽宁轨道交通职业学院， 辽宁 沈阳 110023)

熔丝成型(fusedfilament fabrication，FFF)技术因其工艺安全、操作方便、绿色环保等特点已成为应用最广泛的增材制造技术之一[1-2].目前，FFF产品在生物医药、航空航天、建筑、食品等工程领域都有广泛应用，但与传统加工方式相比较，FFF产品的成型质量和机械性能明显较差.研究表明，挤出材料丝之间的结合颈与FFF产品的成型质量息息相关，结合颈越大其质量越好[3-7]，因此如何有效增大结合颈对提高FFF产品的质量有重要意义.

近年来，国内外一些学者在改善结合颈方面进行了很多研究.Bellehumeur等[8]发现过程参数会对FFF过程的冷却时间和结合颈产生影响，其中挤出温度的影响尤为显著.Gurrala等[9]将理论与实验相结合，研究了结合颈对FFF零件强度的影响规律，发现零件强度和结合颈成正比关系.Kallel等[10]通过实验证明随进料速率、挤出温度和平台温度的增加，聚合物材料丝间的结合颈增加.Fan等[11]研究了连续复合纤维材料添加剂制造过程中结合颈的形成机理，并测量了挤出温度对结合颈力学性能和尺寸的影响.结果表明提高挤出温度，样件的抗拉强度和结合颈均有所提高.Jacobs等[12]通过实验研究发现温度和对流条件的变化对结合颈质量有显著影响.Ana等[13]认为在一定范围内材料挤出率越高，空隙含量越低，结合颈越大.

上述文献研究的过程参数数量较少，不具有普适性.针对挤出温度、打印速度、填充率、打印层厚度、挤出宽度、打印方向6个关键过程参数对结合颈的影响进行了实验与理论研究，为提出改进结合颈的新方法提供了数据支持与参考.

1 实验研究

1.1 样件制备

利用FLSUN型FFF设备制备了20 mm×20 mm×2.4 mm的方形薄板样件，如图1所示.样件为聚乳酸(PLA)材料，具有硬度高、强度高、熔点低等特点，是增材制造中的理想材料[14-15].

图1 样件示意图Fig.1 Schematic diagram of the sample

表1 样件的具体参数Table 1 Specific parameters of the samples

1.2 结合颈测试

为确定过程参数对样件结合颈的影响，利用如图2所示的JT-H360-4K电子显微镜对样件进行初步测量，并选取出成型效果较好的样件.使用场发射扫描电子显微镜(日立S-4800)针对每个样件进行扫描电镜分析，随机选择2个不同截面(垂直于纤维方向)，并完成截面中结合颈长度的测试.每种类型样件分别获得50组结合颈的测试数据，为进一步保证结果的准确性和有效性，以50组数据的平均值作为单个类型样件的分析结果.

图2 电子显微镜Fig.2 Electron microscope(a)—电子显微镜； (b)—场发射扫描电子显微镜.

2 实验结果分析

2.1 挤出温度

挤出温度是热熔喷头加热材料丝至熔融状态的温度.在适当温度范围内，温度越高，结合颈平均长度越大，3种不同挤出温度下结合颈的具体数值如表2所示.

表2 不同挤出温度下样件结合颈测试结果Table 2 Testing results of the sample’s bonding neck with different extrusion temperatures

2.2 打印速度

3种不同打印速度下的结合颈具体数值如表3所示，可见速度越快，结合颈长度越小.

表3 不同打印速度下样件测试结果Table 3 Sample test results under different printing speeds

2.3 填充率

填充率是材料丝在打印样件内部的填充程度.填充率越高结合颈长度越大.3种不同填充率下的结合颈具体数值如表4所示.

表4 不同填充率下样件测试结果Table 4 Sample test results under different fill rates

2.4 挤出宽度

挤出宽度是指挤出的材料丝宽度.随挤出宽度的增大，横向结合颈增大，纵向结合颈略微减小，但总体结合颈增大.3种不同挤出宽度下的结合颈具体数值如表5所示.

表5 不同挤出宽度下样件测试结果Table 5 Sample test results under different extrusion widths

2.5 打印层厚度

打印层厚度是挤出材料丝的厚度.打印层厚度越大，纵向结合颈越长，横向结合颈越短，但总体的结合颈增大.3种不同打印层厚度下结合颈具体数值如表6所示.

表6 不同打印层厚度下样件测试结果Table 6 Sample test results under different print layer thickness

2.6 打印方向

打印方向是打印样件的纤维方向.改变打印方向结合颈长度基本不变.3种不同打印方向下结合颈的具体数值如表7所示.

表7 不同打印方向下样件测试结果Table 7 Sample test results under different printing directions

2.7 扫描电镜分析

图3是表1中所列6种类型样件截面放大130倍后的扫描电镜图像.通过对比可知，挤出温度、打印速度、填充率对样件结合颈的影响较小；挤出宽度、打印层厚度对结合颈影响较为明显；而打印方向对样件结合颈几乎没有影响.

图3 不同类型样件的截面扫描电镜图像Fig.3 Cross-sectional scanning electron microscope images of the samples of different types(a)—t190； (b)—t200； (c)—t210； (d)—v50； (e)—v60； (f)—v70； (g)—f60%； (h)—f80%； (i)—f100%； (j)—e0.2； (k)—e0.3； (l)—e0.4； (m)—l0.1； (n)—l0.15； (o)—l0.2； (p)—dZ； (q)—dX； (r)—d45.

3 理论模型

3.1 结合颈模型

由于重力影响，挤出材料丝截面呈椭圆形.分别在水平和纵向产生两个结合颈.

以纵向为例，结合半颈y可表示为

(1)

式中：a，b分别是挤出丝椭圆截面的长半径和短半径；θ是瞬时半角.

结合颈瞬时半角的变化率为

(2)

式中：Γ为挤出材料丝的表面张力系数：η为材料的黏度.

将得出的瞬时半角代入式(1)，即可确定结合颈长度.类似地，也可以计算出水平方向上的结合颈.

在挤出结合过程中，结合颈并不总是增长.当温度低于某个临界值时，它会停止生长.冷却模型为

T=T∞+(T0-T∞)·e-mx.

(3)

3.2 结果分析

表8对比分析了不同类型(不同打印层厚度和挤出宽度)的FFF样件结合颈的理论与实验结果，结果吻合度较好,误差范围为3%～18%，本文提出的理论模型能够准确预测FFF样件结合颈长度.

表8 理论分析与实验结果Table 8 Theoretical analysis and experimental results

4 结 论

1) FFF产品的结合颈随填充率、挤出宽度、打印层厚度的增加而增大，其中，增加挤出宽度，纵向结合颈略有减小，但总体结合颈增大；增加打印层厚度，横向结合颈略有减小，总体结合颈增大；在190～210 ℃范围内，挤出温度越高，结合颈越大；在60～80 mm/s内，结合颈随打印速度的降低而增大；打印方向对结合颈几乎无影响.

2) 通过扫描电镜可知，挤出宽度、打印层厚度对结合颈影响明显；挤出温度、打印速度、填充率及打印方向对样件结合颈的影响较小.从微观角度很好地验证了结论1)的正确性.

3) FFF样件结合颈越大，结合质量越好，即成型质量越好.

4) 本文建立的FFF样件结合颈理论模型能够准确预测样件中结合颈的长度.