3D打印工艺参数对TPU试样力学性能的影响_谢仁古丽·麦提图尔荪.pdf

基金项目：新疆维吾尔自治区自然科学基金项目（编号：2022D01C393）收稿日期：202303053D打印工艺参数对TPU试样力学性能的影响*谢仁古丽麦提图尔荪1，李楠1,2，乌日开西艾依提1（1.新疆大学 机械工程学院，新疆乌鲁木齐830017；2.东莞理工学院 教育学院（师范学院），广东东莞523808）摘要：热塑性聚氨酯（TPU）作为一种高分子聚合物材料具有高弹性和良好的力学性能，在工业和服装等领域中均得到了广泛应用，3D打印技术进一步拓展了TPU材料在这些领域中的应用。但是3D打印工艺参数对TPU材料成品的力学性能有一定的影响，因此选用直径1.75 mm的TPU丝材为试验材料，进行了TPU材料FDM打印试样的力学拉伸试验，通过单因素试验方法研究了打印层高、打印温度、填充率、填充方向等打印工艺参数对试样拉伸强度及断裂伸长率的影响规律。研究表明：3D打印工艺参数对TPU试样的力学性能有显著的影响。在打印层高0.2 mm、打印温度220、填充率40%、填充方向0 时制备的试样，最大平均抗拉强度为（48.011.49）MPa，延伸率为（25816.52）%，其力学性能优于其他参数制备的试样。通过极差分析得到最大抗拉强度的影响依次为：填充方向填充率打印温度打印层高；对断裂伸长率影响依次为：打印层高填充角度打印温度填充率。关键词：3D打印；工艺参数；热塑性聚氨酯（TPU）；力学性能中图分类号：TQ323.8文献标志码：A文章编号：10099492(2023)03003004Effect of 3D Printing Process Parameters on Mechanical Properties of TPU SamplesXierenguli Maitituersun1，Li Nan1,2，Wurikaixi Aiyiti1（1.School of Mechanical Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830017,China;2.Normal College of Education College of Dongguan Institute of Technology,Dongguan,Guangdong 523808,China）Abstract:Thermoplastic polyurethane(TPU),as a kind of polymer material with high elasticity and good mechanical properties,has beenwidely used in industry and clothing and other fields.3D printing technology further expands the application of TPU materials in these fields.However,the 3D printing process parameters have certain influence on the mechanical properties of TPU materials.Therefore,the TPU wirewith diameter of 1.75 mm was selected as the test material to conduct the mechanical tensile test of TPU material FDM printing sample.Theprinting process parameters were studied by single factor test method,such as printing height,printing temperature,filling rate,filling directionand other effects on the tensile strength and elongation at break of the sample.The results show that the mechanical properties of TPU samplesare significantly affected by 3D printing parameters.The maximum average tensile strength is 48.011.49 MPa and the elongation is 25816.52%,when the printing layer is 0.2 mm,the printing temperature is 220,the filling rate is 40%and the filling direction is 0.Throughrange analysis,the influence of maximum tensile strength is as follows:filling direction filling rate printing temperature printing height.The effect on elongation at break is as follows:printing height filling Angle printing temperature filling rate.Key words:3D printing;process parameters;thermoplastic polyurethane(TPU);mechanical property2023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.03.005谢仁古丽麦提图尔荪，李楠，乌日开西艾依提.3D打印工艺参数对TPU试样力学性能的影响 J.机电工程技术，2023，52（03）：30-33.0引言随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层次。3D打印技术是以数字化建模为基础，将粉末或聚合物材料通过逐层堆叠制造出实体物品的制造技术1-2。3D打印技术主要包括熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）、立体光固化成型（Stereolithography Appearance，SLA）、选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）等。其中，FDM打印技术机械结构和操作简单、制造、维护和材料成本均较低，因此被广泛应用于医疗，工程建筑和服装等领域4。热塑性聚氨酯弹性体（TPU）属于特种合成橡胶，具有良好的弹性、耐磨性和抗疲劳性等特点4。国内外对3D打印TPU材料的力学性能做了大量研究，例如喷头温度、层厚、填充率、填充角度、填充方式、打印速度、顶层厚度和基板温度等打印参数对打印制品的精度、质量和性能的影响进行了系列研究。文献8研究了石蜡与TPU复合材料的力学性能，研究发现采用此复合材料3D打印的零件具有更好的能量储存/释放能力，熔化焓值高于理论值的80%，绝对值可达80 J/g。文献9研究了打印温度和填充方向对TPU材料力学性能的影响，研究得到当打印温度为215，填充方向为45 时TPU材料具有良好的力学性能，此时抗拉强度为46.7 MPa，断裂伸长率为702%。文献7-11研究了不同扫描方式、试样在打 30印平台上摆放位置、后处理和粉末配合比等工艺参数对TPU材料力学性能的影响。研究得到，粉末配合比是提高TPU材料力学性能的关键因素。与重复使用粉末相比新型粉末具有更好的打印质量和力学性能。此外，摆放位置也是重要因素。沿平台边缘方向打印的TPU试样显示出的力学性能均优于直立方式打印的。另外，后处理也显著提高了TPU零件的力学性能。文献12用TPU 制作了血管内动脉瘤模型，在采用 100%的填充率时，模型最透明，打印精度为 2.61%，可用于血管内动脉瘤的修复。上述文献虽然对TPU材料的力学性能进行了一定的研究但是都涉及到某一单因素的影响，因而在考虑影响因素方面缺乏全面性。为此，本文以TPU试样为研究对象，通过单因素试验方法对影响TPU试样抗拉强度和断裂伸长率的3D打印工艺参数进行了对比分析。研究结果表明，最大抗拉强度的影响依次为：填充方向填充率打印温度打印层高；对断裂伸长率影响依次为：打印层高填充角度打印温度填充率。1实验设计采 用 的 TPU 材 料 的 直 径 为 1.75 mm，使 用 弘 瑞（Z300）FDM式3D打印机制备拉伸试样。根据国标GB/T 528-2009硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能测定设计拉伸试样，如图1所示。3种不同填充方向试样的示意图如图1（a）所示，打印的拉伸试样如图1（b）所示，标距为10 mm，每个参数打印3个试样，取平均值。使用万能力学试验机（3005T型）进行拉伸试验如图2所示，加载速度为5 mm/min。打印试样时工艺参数分为固定参数和变量参数，固定参数包括打印速度 40 mm/s、扫描间距 0.4 mm、热床温度45 和打印喷头直径0.4 mm。变量参数包括打印层高、打印温度、填充率和填充方向，其取值如表1所示。2实验结果与分析2.1打印层高对TPU试样力学性能的影响打印层高是指喷头与打印平台之间的距离，如图3（a）是在超景深显微镜（VHX-6000）测量的3种打印层高下的单道沉积线的截面图像。从图中可知，随着打印层高的不断增加，截面形貌表现出由扁平到椭圆状，再到圆形状截面变化的特点。主要原因是在选定其他工艺参数不变的条件下，成型过程中伴随着打印层高的不断增加使喷嘴到平台的空间不断增大。当层高 0.1 mm时，受喷嘴与打印平台间距的限制材料向两边铺展，因此呈现出扁平状，当层高增大后间距变大，压力随之减少，材料向两边铺展不断减少，呈现出近似于圆形截面的形状。因此考虑到层高对层间粘着的影响，在研究层高对TPU试样力学性能的影响之前进行了线条截面形貌的测量。线宽的测量采用图像拼接方式，可对单道成型试件的长度进行测量，以减少测量误差。选取3条相同参数制备的单道成型试件进行线宽测量，对所选择3个截面的线高进行测量，然后对测量结果取平均值，最终测量结果如图3（b）所示。根据文献设定打印速度为40 mm/s，设置的打印层高分别为0.1 mm、0.2 mm和0.3 mm。3种打印层高制备的拉伸试样的应力应变曲线如图 4（a）所示，根据公式（1）计算断裂伸长率。实验结果如图4（b）和表2所示。（a）试样填充方向示意图（b）3D打印试样实物图图1试样示意图与实物图图2力学试验机表1打印参数取值取值打印层/mm0.1/0.2*/0.3打印温度/210/220*/230填充率/%30/40*/50填充方向/（）0*/45/90注：带*的为基础参数（a）单道试验截面图（b）不同层高与线宽线高图3不同层高截面图与线宽线高关系（a）不同层高应力-应变曲线（b）不同层高抗拉强度图4不同层高下试样的力学性能谢仁古丽麦提图尔荪，李楠，乌日开西艾依提：3D打印工艺参数对TPU试样力学性能的影响 31=La-L0L0 100%（1）式中：为断裂伸长率；L0为试样标距；La为试样拉断时标距间的长度。由表2可知，打印层高为0.2 mm时试样的抗拉强度最大，在0.3 mm时制备的试样抗拉强度最小，但断裂延伸率高于层高0.1 mm时的断裂伸长率。主要原因是当层高0.3 mm时呈现出近似于圆形截面的形状，层与层之间的粘结不牢固导致试样出现一根一根断裂的现象，使应力应变曲线出现不同程度的波折，导致抗拉强度有所降低，当层高0.1 mm时试样的抗拉强度虽然接近层高0.2 mm时的抗拉强度