FDM成形工艺对轻量化液压阀块力学性能的影响

张 杰，梁莉蒙，王永霞，邹玉锁

（蚌埠学院 机械与车辆工程学院，安徽 蚌埠 233000）

增材制造技术（3D 打印）在机械制造、生物、航空航天、医疗器械等领域应用广泛［1-2］。其中，熔融沉积成形（fused deposition modeling，FDM）3D打印技术因具有成形材料来源广泛、成本相对较低，后处理过程比较简单等诸多优点而被广泛研究［3］。徐良文等［4］、赵静等［5］研究了工艺参数对FDM 成形制件力学性能的影响，并确定了最优工艺参数。郑玲等［6］采用正交试验法和方差分析法确定了FDM 成形工艺参数对聚乳酸（PLA）制件力学性能的影响。周石林等［7］研究了工艺参数对制件成形精度的影响，并获得了最优工艺参数。唐锋等［8］研究了FDM 工艺参数对轴类PLA 制件扭转性能的影响。上述研究表明，FDM 成形工艺对提高3D打印产品力学性能具有重要意义。

提高液压元件的节能化、轻量化设计水平可以提高液压传动与电传动、机械传动的竞争能力，而液压阀块作为液压系统的重要元件，对于其进行轻量化设计至关重要。传统制造中液压阀块存在质量较大和体积较大的问题，采用增材制造技术，模型设计的自由度大大增加，可以将液压阀块内规则的流道设计为重量更轻、可以消除急转弯及冗余材料的更优流道［9］。目前，关于液压阀块在增材制造工艺方面的研究较少。Chekurov 等［10］、Alshare 等［11］和Schmelzle 等［12］的研究重点主要集中在增材制造中液压阀块的结构优化设计。综上所述，研究增材制造中工艺参数对液压阀块力学性能的影响显得十分必要。

基于上述研究背景，本文结合张超等［9］提出的增材制造在轻量节能型液压阀块制造中的设计原则，设计了一种轻量化的液压阀块结构，采用FDM 技术打印PLA 材料成形液压阀块，通过正交试验，研究FDM 工艺参数对轻量化液压阀块力学性能的影响，为增材制造在液压阀块设计与成形中的应用提供理论指导。

1 试验材料与方法

1.1 打印设备及材料

FDM 成形设备采用北京太尔时代技术有限公司生产的UP mini2 打印机，型号为3DP-12-4E，链接打印机软件为UP studio。试验材料为PLA，直径为1.75 mm，密度为1.75 g/cm3。

1.2 模型设计

传统液压阀块制造中由于加工技术的限制，流道必须与表面垂直。本研究中模型采用弯曲流道，以避免传统阀块中直角转弯的压力损失，使流体平稳转向［9］。液压阀块箱采用具有负泊松比的蜂窝夹层结构，尺寸为50 mm×30 mm×30 mm，蜂窝单元结构为边长1.5 mm的正六边形，流道直径为8 mm，三维模型如图1所示。

1.3 试验设计

在前期探索试验的基础上，根据PLA 液压阀块的成形质量及力学性能选择打印温度、层厚、填充率等3 个FDM 成形工艺参数作为试验因素，分别为因素A、因素B、因素C，每个因素有3 个水平，进行L9（34） 正交试验，研究3 个参数对PLA液压阀块试件力学性能的影响。正交试验因素水平表如表1所示。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Level table of orthogonal test factors

1.4 检测方法

用WDW-300E 型万能试验机对PLA 液压阀块试件进行压缩试验，下降速度为1 mm/min，试验力出现峰值后，停止试验，记录数据，试验力的峰值即为试件的最大承载力。

2 试验结果与分析

2.1 三因素对制件最大承载力的影响

根据正交试验设计完成9 组试验，测量各试件的最大承载力，以最大承载力为评价指标，正交试验结果如表2 所示。由表2 可知，不同参数下各试件的最大承载力存在明显差异。试验3试件的最大承载力最大，试验8 试件的最大承载力最小，分别为16.504 kN 和4.612 kN，最大值是最小值的3.58倍。

表2 最大承载力正交试验结果Table 2 Orthogonal test results of maximum bearing capacity

根据极差的大小可以判断因素的影响程度，由表2可知，试件最大承载力的最佳因素水平为：A1B3C2，即打印温度190 ℃、层厚0.3 mm、填充率20%。影响因素A、B、C 和空列的极差R分别为5.18、6.29、2.85、2.27，所以三因素对试件最大承载力的影响由强到弱依次是层厚（B）、打印温度（A）、填充率（C）；空列极差可以认为是三因素交互作用及试验误差对试验结果的综合影响。

极差的大小仅能反映各因素对试验目标影响的主次关系，不能估计试验误差大小，也不能较好地体现各因素的影响程度及显著性。需进一步开展方差分析，通过构造F统计量，进行F检验来判断因素作用的显著性。

正交试验空列得到的误差包括各因素交互作用及试验综合误差，由表2试验结果可知，误差结果不可忽略。因此，为了真实反映试验因素对试验结果的影响程度，将各因素交互作用及试验综合误差进行合并［13-14］，然后进行方差分析，结果如表3所示。

表3 方差分析结果Table 3 ANOVA results

由表3 可知，影响试件最大承载能力的因素由强到弱依次为层厚（B）、打印温度（A）、填充率（C），与极差分析结果一致。其中，因素B 的F值大于F0.1（2，2），表明因素B（层厚）对试验结果影响较为显著；根据文献［13］，查F分布表可知，F0.2（2，2）=4，因素A 的F值大于F0.2（2，2），表明因素A（打印温度）对试件最大承载力也具有一定影响；因素C（填充率）的F值远小于F0.2（2，2），表明因素C对试件最大承载力的影响较小。结合极差分析结果可知，三因素交互作用对试验结果没有影响。

2.2 三因素对制件吸能性的影响

试验用液压阀块块体采用蜂窝夹层结构，该结构压缩时的重要力学性能评价指标为能量吸收特性。该指标与试件最大承载力密切相关，相同条件下，最大承载力越大，吸能性越好，能量吸收公式为：

式中：W为吸收能量，J；δ为瞬时压溃位移，mm；F为压溃力，即最大承载力，kN。

根据公式（1）计算9 次正交试验的总吸收能量，如表4 所示。由表4 可知，不同参数下试件的总吸能性存在明显差异。试验3 试件、试验9 试件的总吸收能量较大，分别为12.665 kJ、13.771 kJ，试验8试件总吸收能量最小，为3.848 kJ。

表4 总吸能性正交试验结果Table 4 Orthogonal experimental results of total energy absorption

对于制件的总吸收能量较大值的试验条件也为A1B3C2，即打印温度为190 ℃，层厚为0.3 mm，填充率为20%。三因素对试件总吸能性的影响由强到弱依次是层厚（B）、打印温度（A）、填充率（C）。这与三因素对最大承载力的影响结果一致，验证了FDM 成形PLA 液压阀块力学性能正交试验结果的正确性。

3 结论

（1）通过正交试验和极差、方差分析可知，在试验范围内，三因素对PLA 材料液压阀块最大承载力的影响程度由强到弱依次是：层厚、打印温度、填充率，其中层厚对试件最大承载力影响显著，三因素交互作用对试验结果没有影响；

（2）PLA 材料液压阀块的最佳成形工艺参数组合为：A1B3C2，即打印温度为190 ℃，层厚为0.3 mm，填充率为20%。

（3）对9 组试件进行吸能特性测量试验。结果显示，三因素对试件总吸能性的影响与其对最大承载力的影响结果一致，验证了FDM 成形PLA液压阀块力学性能正交试验结果的正确性。