3D打印機(jī)相關(guān)特性

3D打印機(jī)的成型方式為FDM，機(jī)箱采用一體成型金屬板材，配備一體式熱床加熱板。其恒溫功能可有效降低打印過程中因溫度波動導(dǎo)致試樣發(fā)生翹曲變形，提高試樣成型質(zhì)量。同時(shí)，該打印機(jī)具有精度高、成型速度快、打印材料多樣等優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)機(jī)由德國WAZAU公司生產(chǎn)，通過計(jì)算機(jī)控制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由傳感器、數(shù)據(jù)采集卡傳輸至軟件平臺，經(jīng)分析處理得到摩擦系數(shù)。試驗(yàn)機(jī)載荷和轉(zhuǎn)速加載范圍廣，摩擦形式多樣，具有良好的性能穩(wěn)定性和可靠性。

有限元仿真分析

使用有限元仿真軟件中的靜力學(xué)方法，對兩種結(jié)構(gòu)模型正面和側(cè)面受不同載荷壓力（10 N、30 N、50 N）時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變特性進(jìn)行有限元仿真分析。

• 模擬工況與模型簡化：模擬環(huán) - 塊摩擦磨損試驗(yàn)工況，其中模型尺寸與試樣尺寸完全相同。為便于施加載荷，在不影響分析結(jié)果的前提下，將圓環(huán)簡化為半圓盤模型。
• 材料與接觸設(shè)置：圓環(huán)材料采用Structural Steel，試樣材料采用ABS。為較好地模擬試驗(yàn)工況，避免兩接觸面發(fā)生相互穿透，將圓環(huán)模型與試樣模型的接觸分析設(shè)置為：接觸類型采用摩擦接觸；接觸行為采用對稱行為；公式采用增強(qiáng)拉格朗日法；摩擦因數(shù)采用環(huán) - 塊實(shí)驗(yàn)測得的平均摩擦因數(shù)。
• 網(wǎng)格劃分：仿真分析過程中主要關(guān)注試樣的應(yīng)力應(yīng)變特性，因此對試樣采用較為精細(xì)的網(wǎng)格，選用尺寸控制，將其設(shè)置為0.5 mm，既可以保證較高的計(jì)算準(zhǔn)確度，同時(shí)不至于計(jì)算量過大；圓環(huán)采用默認(rèn)網(wǎng)格劃分。
• 載荷與約束設(shè)置：在圓環(huán)上表面施加垂直平面向下的力載荷，設(shè)置10 N、30 N、50 N三種載荷分別進(jìn)行仿真分析；對試樣下表面采用固定約束，對圓環(huán)使用位移約束，X、Y方向?yàn)?，Z方向?yàn)镕ree，防止圓環(huán)在壓力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動。
• 大變形分析設(shè)置：試樣與圓環(huán)模型接觸過程中的應(yīng)力應(yīng)變特性，是一種高度的非線性行為，所以分析過程中將大變形分析設(shè)置為開啟。

3D打印快速成型技術(shù)概述

3D打印快速成型技術(shù)是一種增材制造技術(shù)，對制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義，其特殊的成型方式在復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成型方面具有重大優(yōu)勢。3D打印技術(shù)中，F(xiàn)DM技術(shù)由Scott Crump于1988年發(fā)明，其原理是將熱塑性絲材加熱，從噴頭擠出，按照規(guī)劃好的路徑和速度進(jìn)行排列和逐層沉積，從而實(shí)現(xiàn)立體成型。FDM 3D打印技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、成型速度快且打印材料成本低，在航空航天、汽車工業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3D打印件性能研究現(xiàn)狀

3D打印件在各領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)良好的應(yīng)用離不開其性能研究。目前，人們對3D打印制件的性能研究主要集中在成型工藝和打印材料對其力學(xué)性能的影響。摩擦學(xué)性能作為機(jī)械零部件的一個(gè)重要特征，研究FDM成型件的摩擦學(xué)性能，對其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義，而對ABS材料FDM成型件摩擦學(xué)性能的研究卻鮮有報(bào)道。

實(shí)驗(yàn)探索與分析

ABS為原材料，利用銷/球 - 盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，選擇FDM試樣、模壓成型試樣為實(shí)驗(yàn)材料，探索了不同成型方式制備試樣的摩擦學(xué)性能，并結(jié)合紅外光譜和DSC熱流曲線，對試樣的磨損機(jī)理進(jìn)行分析。為負(fù)泊松比試樣的制備以及摩擦學(xué)性能的研究奠定基礎(chǔ)，也為提高3D打印制件的摩擦學(xué)性能，以更好地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域提供實(shí)驗(yàn)參考。

不同成型試樣性能對比

• 硬度和密度：與FDM試樣相比較，模壓成型試樣具有較高的硬度和密度，主要原因是模壓過程中，在熱和壓力的作用下使得材料分子內(nèi)部更加致密，而FDM過程中材料逐層堆積，試樣未受壓力作用，致密性較差。除打印層厚為0.4 mm的試樣外，F(xiàn)DM試樣的密度和硬度均隨層厚增加而逐漸降低，這是因?yàn)椴牧现饘尤廴诔练e，且每層絲材并排放置，這可能會導(dǎo)致試樣內(nèi)部存在孔隙，且打印層厚越厚存在孔隙越多。
• 磨損性能：
  • 磨損過程與表面變化：FDM成型試樣是逐層材料堆積，在摩擦過程中隨著時(shí)間的增加，與對摩件接觸的部分打印材料層會被磨穿，新的打印材料層會出現(xiàn)，形成不同程度的凹坑，使得摩擦表面平整度降低，粗糙度增加，摩擦過程出現(xiàn)振蕩。材料的耐磨損性能決定了在相對運(yùn)動過程中頂層材料不斷損傷的程度。
  • 磨損深度和寬度：FDM試樣的磨損深度和寬度均大于模壓成型試樣。這是由于FDM是通過逐層疊加的方式來制備試樣的，層與層之間通過材料的粘結(jié)性結(jié)合在一起，沒有壓力作用。這導(dǎo)致FDM試樣的致密度低于模壓成型試樣，因此其磨損深度和寬度都比較大，耐磨損性能較差。
  • 不同層厚FDM試樣磨損：FDM成型試樣由于其成型方式?jīng)Q定它為層狀結(jié)構(gòu)，摩擦過程中試樣會被逐層磨穿形成犁溝，在試樣頂層被破壞后，試樣摩擦表面粗糙度增大導(dǎo)致其耐磨損性能降低。0.1 mm層厚試樣單層層厚很低，頂層材料很容易被磨穿，因此其磨痕深度和寬度較大；0.3 mm層厚試樣單層層厚較大，這導(dǎo)致每層的絲材之間粘結(jié)性降低，在摩擦過程中絲材發(fā)生分離，使其耐磨損性能降低。
  • 模壓成型試樣磨損：模壓成型試樣的磨痕區(qū)域的粗糙度較低，磨損程度較輕。這是由于模壓成型試樣密度和硬度較大，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)也較均勻，所以摩擦過程穩(wěn)定，摩擦學(xué)性能較好。模壓成型試樣磨損后表面有明顯的平行犁溝，主導(dǎo)磨損機(jī)理為磨粒磨損。這是由于法向載荷將磨料壓入摩擦表面，而滑動時(shí)的摩擦力通過磨料的犁溝作用使表面剪切、犁皺和切削，產(chǎn)生槽狀磨痕，這是微切削類型的磨料磨損。
  • FDM試樣黏著磨損：摩擦后表面有很多裂紋和被剝落的碎屑，且磨痕邊緣的頂層材料發(fā)生了剝離，主導(dǎo)的磨損機(jī)理為黏著磨損。這是由于FDM成型制備的試樣層與層之間的粘結(jié)性較差，沒有很好的融為一體，摩擦過程中，當(dāng)材料表面受到載荷的作用時(shí)，頂層材料發(fā)生斷裂進(jìn)而剝落。試樣層厚增大會導(dǎo)致其絲材之間粘結(jié)力減小，頂層材料在摩擦力作用下很容易發(fā)生絲材的分離，分離后的絲材在摩擦力的持續(xù)作用下發(fā)生扭曲變形，進(jìn)而斷裂，導(dǎo)致頂層材料被破壞，產(chǎn)生犁溝。在該實(shí)驗(yàn)中，0.4 mm層厚試樣由于孔隙率太高，無法抽真空，不能進(jìn)行電鏡實(shí)驗(yàn)。

不同成型方式制備試樣具有相同的起始氧化溫度和紅外光譜，成型方式不改變材料的氧化性能和分子結(jié)構(gòu)；FDM試樣的密度和硬度均低于模壓成型試樣，不同打印層厚的試樣隨著層厚的增加硬度和密度降低，但最大打印層厚（0.4 mm）試樣例外，其硬度和密度進(jìn)一步升高而不是降低。FDM試樣與模壓成型試樣相比，耐磨性較差，但摩擦系數(shù)較低，磨損機(jī)理主要為黏著磨損，其中層厚較薄時(shí)主要表現(xiàn)為單層材料的片狀剝落，層厚較厚時(shí)，主要表現(xiàn)為絲材的扭曲變形、斷裂，模壓成型試樣的磨損機(jī)理主要為磨粒磨損。FDM試樣中，不同打印層厚制備的試樣，層厚過低會導(dǎo)致試樣頂層材料很容易被磨破，層厚過高會導(dǎo)致其粘結(jié)力降低、致密度較差，這都會降低試樣的耐磨性。本實(shí)驗(yàn)條件下，0.2 mm層厚試樣具有較好的耐磨性。

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