无支撑法熔融沉积成型C型薄壁结构的力学性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.10.013

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (10): 76-84.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.10.013

无支撑法熔融沉积成型C型薄壁结构的力学性能研究

关天民¹, 李新¹, 郭泽方², 吴贯英³, 翟贇¹()

^1.大连交通大学机械工程学院，大连 116021
^2.大连交通大学詹天佑学院，大连 116021
^3.大连小松雄连机械制造有限公司，大连 116199

收稿日期:2024-10-28 出版日期:2025-10-26 发布日期:2025-10-21
通讯作者: 翟贇，讲师，研究方向为增材制造技术，yunzhai5@vip.163.com
E-mail:yunzhai5@vip.163.com

Tensile behavior of C⁃shape thin⁃walled structural parts fabricated by unsupported fused deposition modeling.

GUAN Tianmin¹, LI Xin¹, GUO Zefang², WU Guanying³, ZHAI Yun¹()

^1.School of Mechanical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116021，China
^2.Zhantianyou College，Dalian Jiaotong University，Dalian 116021，China
^3.Komatsu Xionglian Machinery Manufacturing Co，Ltd，Dalian，116199，China

Received:2024-10-28 Online:2025-10-26 Published:2025-10-21
Contact: ZHAI Yun E-mail:yunzhai5@vip.163.com

摘要/Abstract

摘要：

研究了以无支撑熔融沉积成型（FDM）技术成型的塑料薄壁结构的各种力学性能。针对C型薄壁结构，从曲面几何形状、薄壁结构厚度和材料等本征属性出发，探究以熔融沉积工艺，无支撑的方法，成型C型薄壁结构的力学性能与其结构之间的关系。采用有限元仿真和静态拉伸力学实验分析了丙烯腈⁃丁二烯⁃苯乙烯共聚物（ABS）和聚碳酸酯（PC）两种材料薄壁结构的力学性能与受力表征变化。综合正交试验，断口形貌分析，三因素方差分析等方法探索了不同本征属性C型薄壁结构的结构弹性模量，失效性质以及应力分布。结果表明，最小允许无支撑打印角度为16.53 °。在内凹、外凸、直体3种结构中，内凹结构拥有最高的结构弹性模量。在厚度上则体现为5 mm厚度最优，3 mm次之，4 mm最小。此外，结构的斜率不会对结构弹性模量产生影响，不同水平高度的结构弹性模量也因其旋转半径不同引发了差异性，使得直体和外凸结构的断裂发生在旋转半径较小处，而内凹结构的断裂发生在旋转半径较大处。本研究为面向无支撑熔融沉积工艺成型的薄壁结构设计提供了参考依据。

关键词: 熔融沉积工艺, 力学性能, 薄壁结构

Abstract:

This study investigates the tensile behavior of C⁃shaped thin⁃walled structural parts fabricated via unsupported fused deposition modeling （FDM）. Combining finite element simulation with static tensile testing of ABS and PC specimens， the influence of intrinsic structures on mechanical properties， stress distribution， and failure mechanisms was systematically analyzed. An orthogonal experimental design， fracture morphology analysis， and three⁃factor ANOVA were employed to evaluate the effects of geometry. Key findings established a minimum allowable unsupported printing angle of 16.53 °. Among the geometries tested， concave structures exhibited the highest elastic modulus. An optimal wall thickness of 5 mm was identified， outperforming 3⁃ and 4⁃mm configurations. While the slope of the structure had no significant effect on the elastic modulus， the height （and consequently the rotation radius） was a critical factor. This difference in rotation radius dictated the failure location： fractures initiated at smaller radii in straight and convex structures， but at larger radii in concave structures. This study provides crucial design guidelines for optimizing the mechanical performance of unsupported FDM thin⁃walled structures.

Key words: fused deposition modeling, mechanical properties, thin?walled structure

中图分类号:

TQ320.5

关天民, 李新, 郭泽方, 吴贯英, 翟贇. 无支撑法熔融沉积成型C型薄壁结构的力学性能研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(10): 76-84.

GUAN Tianmin, LI Xin, GUO Zefang, WU Guanying, ZHAI Yun. Tensile behavior of C⁃shape thin⁃walled structural parts fabricated by unsupported fused deposition modeling.[J]. China Plastics, 2025, 39(10): 76-84.

图/表 21

图1 有限元计算条件设定

Fig.1 Condition settings for finite element analysis

图2 样件的母线

Fig.2 Generatrix of samples

旋转体的母线	母线对应斜率
$y = 2 x$	2
$y = 3 x$	3
$y = 4 x$	4
$y = x 2 10$	0
$y = x 2 8$	0
$y = x 2 6$	0
$y = 5 (4 x)$	$∞$
$y = 5 (6 x)$	$∞$
$y = 5 (8 x)$	$∞$

旋转体的母线	母线对应斜率
$y = 2 x$	2
$y = 3 x$	3
$y = 4 x$	4
$y = x 2 10$	0
$y = x 2 8$	0
$y = x 2 6$	0
$y = 5 (4 x)$	$∞$
$y = 5 (6 x)$	$∞$
$y = 5 (8 x)$	$∞$

表1 母线及其斜率

Tab.1 Generatrix and their slope

表1 母线及其斜率

Tab.1 Generatrix and their slope

编号	厚度/mm	斜率	凹凸度
1	3	小	内凹
2	3	中	外凸
3	3	大	直体
4	4	小	外凸
5	4	中	直体
6	4	大	内凹
7	5	小	直体
8	5	中	内凹
9	5	大	外凸

表2 正交设计表

Tab.2 Orthogonal experimental design table

图3 样件数字模型图

Fig.3 Digital appearance of samples

图4 熔融沉积成型C型薄壁结构

Fig.4 C⁃shape thin⁃walled structure fabricated by FDM technology

图5 无支撑打印角的计算

Fig.5 Calculation of Maximum unsupported print angle

图6 打印结构简图

Fig.6 Digram of printed structure

图7 悬垂角的结构简图

Fig.7 Schematic diagram of the overhang angle structure

凹凸性	厚度	斜率	伸长量/ mm	最大应变/mm/mm	最大应力/MPa
1	1	1	101.89	0.125	217.77
1	1	2	118.83	0.122	208.77
1	1	3	74.46	0.131	236.63
1	2	1	46.27	0.083	142.18
1	2	2	52.88	0.081	137.59
1	2	3	33.82	0.086	152.71
1	3	1	24.96	0.059	100.34
1	3	2	29.09	0.058	97.02
1	3	3	18.59	0.061	106.84
2	1	1	49.91	0.262	475.61
2	1	2	43.73	0.31	458.04
2	1	3	58.59	0.22	344.2
2	2	1	23.74	0.111	185.11
2	2	2	20.33	0.13	240.77
2	2	3	27.92	0.173	274.23
2	3	1	13.46	0.054	93.01
2	3	2	11.69	0.074	123.9
2	3	3	15.98	0.084	105.54
3	1	1	114.31	0.207	330.81
3	1	2	130.45	0.206	348.9
3	1	3	79.83	0.207	338.54
3	2	1	54.42	0.142	223.28
3	2	2	61.82	0.156	238.12
3	2	3	40.1	0.166	256.07
3	3	1	30.98	0.11	179.2
3	3	2	33.09	0.112	194.64
3	3	3	22.14	0.134	197.04

表3 有限元法分析结果

Tab.3 Result of FEM

分析主体	方差来源	离差平方和	自由度	均方	F值	P值
位移量	结构	5 589.316	2	2 794.658	14.875	0.001
	厚度	19 329.834	2	9 664.917	51.444	0.001
	斜率	985.946	2	492.973	2.624	0.097
	Residual	3 757.476	2	187.874	1	0.5
最大应力	结构	60 490.452	2	30 245.226	12.001	0.001
	厚度	176 291.483	2	88 145.742	34.974	0.001
	斜率	575.539	2	287.770	0.114	0.893
	Residual	50 406.070	20	2 520.303	1	0.5
最大应变	结构	0.029	2	0.014	13.817	0.001
	厚度	0.062	2	0.031	29.771	0.001
	斜率	0.001	2	0	0.378	0.690
	Residual	0.021	20	0.001	1	0.5

表4 最大应力、最大应变和位移量的三因素方差分析表

Tab.4 Three ways ANOVA analysis of displacement，maximum stress and maximum strain

结构厚度/m	直体	内凹	外凸
3
4
5

表5 顶部应力图对比

Tab.5 Comparison of top layer stress diagram

图8 最大应力的热力图

Fig.8 Maximum stress heat map

编号	凹凸度	斜率/mm
1	直体	3
2	直体	3
3	直体	3
4	内凹	4
5	内凹	4
6	内凹	4
7	外凸	5
8	外凸	5
9	外凸	5

表6 编号结构对应表

Tab.6 Table of the numbering structure corresponds

图9 样件受拉简图

Fig.9 Sample stretching diagram

图10 拉伸后样件图

Fig.10 Fractured samples

图11 C型薄壁结构的拉力⁃伸长量曲线

Fig.11 Tensile⁃elongation curves of the C⁃shape thin⁃wall structures

样件编号	拉力/N	位移/mm	近似弹性模量/N·mm^-1
ABS⁃T3S1CE	176.8	24.99	7.07
ABS⁃T3S2CX	109	24.99	4.36
ABS⁃T3S3CT	74.2	24.99	2.97
ABS⁃T4S1CX	143	24.99	5.72
ABS⁃T4S2CT	77.4	24.99	3.10
ABS⁃T4S3CE	133.4	24.99	5.34
ABS⁃T5S1CT	130	24.99	5.20
ABS⁃T5S2CE	244	24.99	9.76
ABS⁃T5S3CX	184.6	24.99	7.39
PC⁃T3S1CE	52.8	7.99	6.61
PC⁃T3S2CX	37.4	7.99	4.68
PC⁃T3S3CT	18.6	7.99	2.33
PC⁃T4S1CX	39.2	7.99	4.91
PC⁃T4S2CT	19.8	7.99	2.48
PC⁃T4S3CE	36.8	7.99	4.61
PC⁃T5S1CT	38.6	7.99	4.83
PC⁃T5S2CE	57.2	7.99	7.16
PC⁃T5S3CX	37.2	7.99	4.66

表7 近似弹性模量表

Tab.7 Approximate elastic modulus table of ABS sample

材料	方差来源	离差平方和	自由度	均方	F值	P值
ABS材料	厚度	14.486 865 4	2	7.243 432 698	19.089 345 55	0.049 8
	斜率	0.916 886 251	2	0.458 443 126	1.208 181 204	0.452 9
	凹凸度	19.956 498 89	2	9.978 249 447	26.296 682 75	0.036 6
	误差	0.758 897 96	2	0.379 448 98	1	0.5
PC材料	厚度	3.721 937 918	2	1.860 968 959	52.311 154 6	0.018 8
	斜率	3.797 125 77	2	1.898 562 885	53.367 906 07	0.018 4
	凹凸度	12.731 948 87	2	6.365 974 434	178.945 205 5	0.005 6
	误差	0.071 149 986	2	0.035 574 993	1	0.5

表8 ABS材料样件的近似弹性模量方差分析

Tab.8 Approximate modulus of elastic modulus ANOVA of ABS material samples

图12 样件的水平面

Fig.12 The horizontal plane of the sample

图13 样件的断口图

Fig.13 Fracture of samples

参考文献 24

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