FDM工藝參數(shù)對打印件微觀結(jié)構(gòu)及耐磨損性能的影響

供稿人:朱思堯、王玲

近期，利比亞的班尼瓦利德高等工程技術(shù)學(xué)院機械工程系的研究人員采用確定性篩選實驗設(shè)計（definitive screening design，DSD）方法，探討層厚、空氣間隙、填充角度、打印方向、擠出絲寬以及外殼圈數(shù)等FDM工藝參數(shù)對PC-ABS打印件耐磨損性能的影響。

圖1. FDM工藝參數(shù)

磨損試驗在24℃干燥環(huán)境下，以10N正壓力作用在高35mm，直徑6mm的試樣上，摩擦頭轉(zhuǎn)速300r/min，每個試樣摩擦10000轉(zhuǎn)后測試計算磨損量。磨損量（Specific wear rate，SWR）的計算公式如下：

結(jié)果顯示，隨層高的增加，試樣的SWR值升高（即耐磨損性能降低）。通過觀察0.1mm和0.3mm層的試樣，較低的層高設(shè)置打印出的試樣具有更好的打印質(zhì)量和表面質(zhì)量，從而降低了接觸面的摩擦力。由于空氣間隙的增加產(chǎn)生了孔隙結(jié)構(gòu)，從而降低了試樣的密度，導(dǎo)致SWR值下降。填充角度的增加引起了磨損率的顯著降低，因為當(dāng)填充角度為90°時，擠出絲的打印方向與試樣寬度方向平行，各填充角度的試樣表面結(jié)構(gòu)見圖2。而不同的打印方向產(chǎn)生不同程度的階梯效應(yīng)，從而影響磨損性能。當(dāng)擠出絲和外殼圈數(shù)為中間值時，試樣具有更好的耐磨損性能。

圖2. （a）主要效果圖；（b）不同光柵角度對零件表面的影響

該研究采用確定性篩選設(shè)計來研究FDM工藝參數(shù)對比磨損率的影響。總結(jié)得出，光柵角度、層厚、打印方向和外殼圈數(shù)是影響FDM打印件磨損性能的最顯著的參數(shù)。其中磨損率隨著層厚和打印方向的減小而減小，但隨著光柵角的增加而減小。此研究探討了工藝參數(shù)與磨損機理之間關(guān)系，并檢測打印件的實際磨損程度和微觀結(jié)構(gòu)，同時也為FDM工藝參數(shù)對其他材料磨損性能的影響，提供了理論基礎(chǔ)。

參考文獻：
Ahmed M O , Hasan M S , Lal B J . Analysis of wear behavior of additively manufactured PC-ABS parts[J]. Materials Letters, 2018, 230:261-265.

供稿人:朱思堯、王玲 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室