FDM工艺参数对打印件微观结构及耐磨损性能的影响

供稿人:朱思尧、王玲

近期，利比亚的班尼瓦利德高等工程技术学院机械工程系的研究人员采用确定性筛选实验设计（definitive screening design，DSD）方法，探讨层厚、空气间隙、填充角度、打印方向、挤出丝宽以及外壳圈数等FDM工艺参数对PC-ABS打印件耐磨损性能的影响。

图1. FDM工艺参数

磨损试验在24℃干燥环境下，以10N正压力作用在高35mm，直径6mm的试样上，摩擦头转速300r/min，每个试样摩擦10000转后测试计算磨损量。磨损量（Specific wear rate，SWR）的计算公式如下：

结果显示，随层高的增加，试样的SWR值升高（即耐磨损性能降低）。通过观察0.1mm和0.3mm层的试样，较低的层高设置打印出的试样具有更好的打印质量和表面质量，从而降低了接触面的摩擦力。由于空气间隙的增加产生了孔隙结构，从而降低了试样的密度，导致SWR值下降。填充角度的增加引起了磨损率的显著降低，因为当填充角度为90°时，挤出丝的打印方向与试样宽度方向平行，各填充角度的试样表面结构见图2。而不同的打印方向产生不同程度的阶梯效应，从而影响磨损性能。当挤出丝和外壳圈数为中间值时，试样具有更好的耐磨损性能。

图2. （a）主要效果图；（b）不同光栅角度对零件表面的影响

该研究采用确定性筛选设计来研究FDM工艺参数对比磨损率的影响。总结得出，光栅角度、层厚、打印方向和外壳圈数是影响FDM打印件磨损性能的最显著的参数。其中磨损率随着层厚和打印方向的减小而减小，但随着光栅角的增加而减小。此研究探讨了工艺参数与磨损机理之间关系，并检测打印件的实际磨损程度和微观结构，同时也为FDM工艺参数对其他材料磨损性能的影响，提供了理论基础。

参考文献：
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:朱思尧、王玲 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室