FFF 打印参数对 3D 打印零件机械强度的影响

本研究旨在调查 3D 打印参数（特别是使用熔丝制造 (FFF) 技术）对所生产零件的机械特性的影响。该分析涉及检查 495 个打印样品，其中关键参数存在变化，例如挤出温度、打印速度、密度、填充几何形状、层高和壁数。

采用 BCN3D Epsilon W50 打印机，使用该技术中常用的材料：PLA、PETG 和 ABS。机械强度的评估是通过单轴拉伸试验进行的，考虑到不同的参数。本研究按照 UNE-EN ISO 527-2 1A 型标准，遵循塑料成型或挤出测试模型，测试了总共 495 个样本。

预计挤出温度、密度和壁数的增加将使打印部件表现出增强的性能。因此，较高的打印速度和降低的层高可能会导致机械强度下降，尽管其影响的确切程度仍不确定。

主要假设

• 填充类型 ：由于其互连的网格结构，网格填充物被认为比螺旋形和三角形填充物具有更高的强度。
• 填充密度： 较高的填充密度预计将有助于提高机械强度，因为零件内的材料越多，其承受压力的能力就越强。
• 层高： 由于层间粘合力较弱，较低的层高被认为会对机械强度产生不利影响。
• 打印速度： 由于挤出不稳定和层间粘合效果较差，预计打印速度提高会导致零件质量下降，从而可能削弱机械强度。
• 打印温度： 较高的温度范围有望改善层间的粘合，从而提高零件的机械强度。相反，较低的温度可能会导致冷挤压并造成材料损失。
• 墙数： 建议增加壁数，以显着提高打印部件的机械强度，从而提供更高的结构稳定性。

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结果

在以下部分中，图表显示了各种结果和结论。详细分析和数据请查阅白皮书。

对填充类型的影响

分析获得的数据并发现，根据材料的不同，每种填充类型的影响不同，我们可以得出结论，该图案对部件的最终属性没有显着或相关的影响。虽然带有陀螺仪填充物的 ABS 和 PETG 测试样本确实产生了最高的载荷，但与 PLA 相比的差异和可变性使我们无法断言这种类型的填充物在提高机械性能方面是最好的。因此，本次测试开始的前提是期望网格填充、然后是三角形、最后是陀螺仪有更好的性能，这是不正确的。

填充密度的影响

分析得到的结果，我们可以得出结论，测试之前建立的前提是正确的。换句话说，零件的机械性能随着密度的增加而增加。这种说法在 PLA 和 PETG 中更为明显，而在 ABS 中，则不太明显，以至于 60% 填充样本和 80% 填充样本之间的拉伸强度没有增加。这可能是由于每种材料形成的聚合结构类型所致，PLA 和 PETG 是具有晶体结构的材料，而 ABS 配方具有更多的无定形结构。此外，我们还可以得出结论，将打印的 ABS 零件的密度提高 60% 以上并不能确保更高的机械性能。

层高的影响

正如预期的那样，层高的增加为打印件提供了更好的性能。这是因为，正如前面提到的，整篇文章的“弱点”较少。这些弱点是每个印刷层的接缝，因为层之间的粘合力永远不会具有与材料本身相同的机械强度。

打印速度的影响

经过数据分析后，我们得出结论，正如更高的打印速度会增加材料挤出的不稳定性，从而增加打印件出现缺陷的可能性，导致机械阻力变差，因此打印速度也有一个下限。也就是说，较低的打印速度不会导致较高的机械阻力。每种材料都有一个最佳的打印工作温度范围。如果工作温度低于此范围，材料将被冷挤出，而如果打印温度高于此范围，材料可能会降解，使其聚合结构结晶并导致错误挤出。

为了更好地理解下面的结论，有必要对材料的打印温度（工作温度）进行简单说明。如前所述，打印速度影响细丝挤出，因为该速度是细丝通过加热块的速率。这意味着加热块的温度（打印温度）必须高于材料的熔点温度，因为它必须补偿灯丝的热传递不足。换句话说，我们由此得出结论，在 FFF 中挤出材料的打印温度通常远高于材料的熔化温度。因此，如果打印速度非常低，材料可能会在挤出过程中降解，从而失去材料本身的性能，包括机械性能。

打印温度

考虑到获得的数据以及之前分析的打印速度以及密度或层高等各种参数的影响，我们推断打印温度并不能显着改善机械性能，或者更确切地说，很难建立一个常数来控制最终的制造结果。也就是说，与打印速度一样，打印温度对每种材料的影响程度不同，而且并不总是以易于预测的方式。

就 PLA 而言，趋势确实符合预期，但就 ABS 和 PETG 而言，却并非如此。不同材料的聚合结构和每种材料的玻璃化转变温度很可能定义了这条趋势线。

墙数

在此测试中，我们能够观察到壁数的每次增加如何明显地增加每种材料的样本的拉伸强度，就像测试 2.2（填充密度）和 2.3（层高）一样。就 PETG 而言，每次增量的演变都更加清晰，但这可能是由于与其他每个测试的偏差所致。这是有道理的，并且正如预期的那样，每次增加壁数都会以相同的方式增加抗拉强度。也就是说，墙壁的每次增加都会导致最大力持续增加相同的值。这一点在 PETG 样本的测试中可以清楚地观察到，样本中每增加一堵墙，最大力就会增加 30%。我们以PETG为例，因为我们看到测试的偏差后推断它是受外部因素影响最小的一个。

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