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增材制造报告

西北工业大学

一、实验背景

3D打印技术也称增材制造技术，加工过程中打印材料通过打印机喷嘴挤出，逐层累积、叠加，进而完成整个制造过程。其具有高效率、低成本、能够加工 形状复杂的制件、无加工废料等特点，为零件的加工制造提供了一种新方法。近年来，3D打印技术在工业中的应用成为研究重点，但由于其逐层叠加的加工方式，层与层之间的结合是通过固体物料和熔融物料相互粘接来实现，由此导致了试样打印表面品质较差问题的同时，也导致了试样力学性能相对较低，这成为限制其在工业领域广泛应用的关键因素。提高打印制品的力学性能和打印精度是3D打印技术的一个重要研究方向。

二、实验目的

研究3D打印关键工艺参数（填充密度、打印层高、打印壁厚和打印温度等等）及试件结构对聚乳酸（PLA）试样剪切强度的影响。

三、试件制作参数

首先，利用Solidworks软件设计试样的3D模型，保存为STL格式；其次，把

STL文件导入Cura软件中，导出gcode格式文件放入打印机中便可以打印。白色试件的打印参数为Cura软件上显示的，红色试件打印参数为雷老师提供的。 白色试件设定的参数为： 品质 层高 出丝宽度 侧丝圈数 送料倍率 0.2 0.4 3 100 填充 顶部层数 底部层数 填充密度 2 2 15% 速度&温度 打印速度（mm/s） 喷头温度 热床温度（℃） 关闭热床层数 40 215 45 100 支撑&成型

支撑角度 支撑密度 工作台附着方式 成型方向 20

红色试件参数为： 打印温度（℃） 200

15 网格 沿侧面向上 沉积角度 90°/0° 填充密度 100% 成型方向 沿轴线向上

四、简支梁的力学分析

试件长100mm ,重10g，材料为聚乳酸PLA，分别在试件10mm，90mm处放置支撑，在试件中心施加负载，下图是在材料力学分析软件上关于剪力与弯矩的分析图，依据此剪力图与弯矩图，设计试件形状。（图中施加的力大小为30N）

五、solidworks建模与仿真

根据弯矩图的形状，我们的试件也设计成中间厚，往两端方向逐渐减薄，同

时为了方便两个方向的测试，我们设计成了轴对称结构，使其两个方向的惯性矩相同。以下为设计图与受力仿真图。

结构设计图

受力仿真图

图中颜色代表应力大小，观察图中仿真结果，颜色分布基本均匀，没有应力集中或突变的地方，所以此设计结构较为合理。其中仿真中的材料参数根据下面PLA材料参数表设计。

六、实验结果与分析 试件断裂结果如下图

实验数据结果

应力大小 白色试件 2.4Mpa 红色试件 12.8Mpa

以上两个应力都为切应力，可以看出，两个试件的数据差异较大。

对比两个试件的打印参数进行分析，首先是填充密度，白色试件的填充密度为15%，红色试件的填充密度为100%。填充密度是指线料在打印试样外形结构内填充的密实程度。填充密度为100%时为完全填充，此时打印试样为完全密实的实体；填充密度为零时为无填充，此时打印 试 样 为 内 部 无 填 充 的 壳 体；填 充 密 度 在0~100%之间时，打印试样内部形成空间网状结构。很显然，在两个试件的打印温度大致相同的情况下，密度大的红色试件承受的切应力也较大。 经查阅资料可知为使ＰＬＡ物料熔融充分，打印温度需要设定在190℃以上，打印温度为210℃时，试样的拉伸强度达到最大，打印温度为220℃时，断裂伸长率达到最大。两个试件的打印温度分别为210度与200度，温度导致的差异不明显。

其二是打印成型方向，白色试件是沿侧面向上成型，红色试件是沿轴线向上成型，这也是造成差异的原因。

七、与其他小组的结果对比

下图中从上到下的红色顺序即为组号顺序

白色试件（Mpa） 红色试件（Mpa） 第一组 5.4 4.1 第二组 2.4 12.8 第三组 4.0 9.3 第四组 6.7 8.1 除了第一组外，其余组的红色试件的切应力大小都大于白色试件的，我们组为第二组，数据也比较有趣，红色试件的切应力大小都较大于其他组的，而白色试件都较小于其他小组的。

八、总结

通过此次的实验课程，我们了解了3D打印技术，学习了其产品成型过程，其

打印参数如打印温度、填充密度等对产品质量的影响，让我们在平时接触3D打印产品时不再是一问三不知，能够有一定的了解。

随着时代的发展，消费者对商品的需求逐渐趋向多样化、个性化和碎片化，全球制造业孕育着制造技术体系、制造模式、产业形态和价值链的巨大变革，3D 打印作为一项新型的数字化制造技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。3D打印技术直接由数字驱动，不受形状复杂程度的限制，是采用材料逐层累加方法制造实体零件的工艺方法，由点到面到体进行成型，它可以解决传统制造技术无法实现的宏、微结构一体化制造问题，大大提高了制造复杂零件的能力，它让设计变得更加丰富多彩、魅力无穷。