利用不同振动加工对FFF薄板动力学特性的影响
时间：2023-02-26 14:15:07 来源：千叶帆 本文已影响人
姜世杰， 孙明宇， 战 阳， 李常有
(1. 东北大学 机械工程与自动化学院，沈阳 110819；
2. 辽宁省机械装备动力学可靠性重点实验室，沈阳 110819；
3. 辽宁轨道交通职业学院 文化基础部，沈阳 110023)
增材制造(additive manufacturing, AM)以层层堆叠的方式制造零部件，是一种新兴发展起来的加工技术[1-3]。其中，熔丝成型[4-5](fused filament fabrication, FFF)因其成本低廉、操作简单、环境污染小、近乎无结构限制等优点[6-7]，成为关注度最高、应用范围最广泛的增材制造技术之一[8]。
然而，FFF技术仍处于发展阶段，存在着许多诸如气孔、夹杂、层间分离等缺陷问题，严重阻碍了该技术的进一步发展[9-10]。现如今，FFF产品已广泛应用于汽车、航空航天、医疗、电子等实际工程领域[11]，在工作过程中需反复承受动态循环载荷或振动的作用，但同时又要保持稳定性和可靠性。因此，如何提高FFF产品的动力学特性(即固有特性、振动响应等参数)变得越来越迫切，然而目前鲜有此方面的研究。Arivazhagan等[12-13]利用DMA设备对不同打印方向(0°，90°)的FFF零件进行了动力学特性参数的扫频试验(频率范围为0～100 Hz)。结果表明，随着温度的增加，零件的储能模量有所提高，而黏度随之降低。Mohamed等[14-15]使用类似的方法研究了过程参数对动态弹性模量的影响。试验结果表明，增大光栅角度、打印间隙和路径宽度，动态弹性模量会随之降低；
不同的打印方向也会引起弹性模量的变化。Quintana等[16]通过动态加载试验技术(超声波测试和DMA)测量了FFF零件的储能模量、损耗模量和损耗角正切的变化情况。试验结果表明，当频率范围为0.1～100.0 Hz时，储能模量和损耗模量随着频率的增加而增加，损耗角正切值的变化较小。上述试验虽然是在循环振动载荷条件下进行的，但仅仅分析了储能模量、损耗模量等材料力学特性参数(仍属于材料力学研究范畴)，很少涉及动力学特性方面的研究(固有频率、模态振型、振动响应等)，而对于如何改善FFF产品动力学特性更是完全没有提及。Jiang[17-18]等提出了利用振动加工提高FFF零件动力学特性的方法，并完成了一系列的试验。结果表明，利用振动可以明显改变样件的固有频率，降低样件的振动响应，从而使样件的抗振能力大大增强。
本文将压电陶瓷与FFF设备相结合，制备了利用不同振动加工的FFF样件；
并通过锤击法模态试验确定了样件的固有特性和振动响应等参数；
通过对比分析试验结果，阐明了利用不同振动加工(不同频率或幅值)对FFF薄板动力学特性的影响规律。
利用压电陶瓷(P-5 I)、信号发生器(VC2015H)、放大器(HPV-3C0150A0300D)以及普通FFF设备(D-Force V2)，组成了振动式FFF设备，如图1所示。成型时，放大器将信号发生器产生的电信号放大15倍，为固定在热熔喷头上的压电陶瓷提供稳定的电压；
利用压电陶瓷的逆压电效应驱动热熔喷头，使其保持垂直振动状态；
再通过加速度传感器和数据采集卡等拾振设备确定喷头的实际振动状态。其中，信号发生器具有改变输入振动波形、频率、电压等功能。
图1 振动式FFF设备Fig.1 The vibrating FFF equipment
FFF热熔喷头竖直方向的简谐振动可用式(1)表达
x=Asin(ω*t+φ)
(1)
式中:x为加速度；
A为输入振动幅值；
ω*为输入振动频率；
t为时间；
φ为初相，φ=0。
2.1 样件准备
图2 熔丝成型薄板的二维图(mm)Fig.2 Two-dimensional drawing of the FFF Plate(mm)
表1 FFF薄板的参数设置Tab.1 The settings for the FFF plate
2.2 动力学测试
为了确定利用不同振动加工的FFF样件的动力学特性参数(如固有频率、模态振型、振动响应等)，利用模态力锤(PCB-086C01，灵敏度为11.2 mV/N)、数据采集卡(NI USB-4431，具有4个模拟输入通道和一个模拟输出通道)和加速度传感器(PCB-352C33，灵敏度为103.5 mV/g)等设备搭建了如图3所示的测试系统。其中选用的轻质加速度传感器质量仅为0.6 g，可忽略其对试验结果的影响。利用夹具夹持FFF薄板10 mm的长度，以使FFF样件保持悬臂状态；
模态力锤的激励点位于薄板中央夹持位置上方约10 mm处；
将加速度传感器固定在振动响应较大的测量点处(薄板样件的顶部和中部)，以确保测量的准确性和有效性。
图3 FFF薄板的模态试验系统Fig.3 The modal test system of the FFF plate
试验过程中，首先利用模态力锤对样件施加单脉冲激励以使其自由振动；
然后通过加速度传感器、NI数据采集卡实时采集激励和响应信号(采样率为2 000 Hz)，用以确定薄板样件的动力学特性；
之后采用多输入单输出方法，即将加速度传感器固定在振动响应较大的测量点处，分别激励不同位置，以获得薄板的模态振型；
最后，针对采集数据进行分析计算，即可获得FFF薄板固有特性和振动响应等参数的测试结果。为了保证数据的正确性和准确性，针对6种类型的每个样件各进行了10组试验(共计540组数据)。选取每个样件其中一组测试效果好且激励数值接近的共计10组数据的平均值，作为该类型样件的响应分析依据。
3.1 FFF样件的材料参数
对样件进行了拉伸试验和密度测试，以获得FFF样件的弹性模量和密度。根据ISO 527-2—2012标准，使用拉伸试验机(Shimadzu EHF-EV200k2-040，如图4所示)确定了FFF样件的应力和应变参数，再根据胡克定律，即可得到FFF样件的弹性模量。使用电子天平(FA2004，精确度为0.1 mg)完成样件的质量测量，结合几何尺寸信息，确定了样件的密度。FFF样件的材料特性参数，如表2所示。
图4 拉伸试验机Fig.4 Tensile test machine
表2 PLA FFF薄板的几何及材料特性参数Tab.2 The dimensions and material property of FFF plate made of PLA
3.2 固有特性
3.2.1 幅值相同、频率不同振动加工的影响
表3 利用幅值相同、频率不同的振动加工的FFF薄板固有特性的试验结果Tab.3 Experimental results of the inherent characteristics of the FFF plate built using the vibration of the same amplitude but different frequencies
3.2.2 频率相同、幅值不同振动加工的影响
表4 利用频率相同、幅值不同的振动加工的FFF薄板固有特性的试验结果Tab.4 Experimental results of the inherent characteristic of the FFF plate built using the vibration of the same frequency but different amplitudes
3.3 振动响应对比
3.3.1 幅值相同、频率不同振动加工的影响
图5 利用幅值相同、频率不同的振动加工的FFF薄板的前3阶平均振动响应Fig.5 The first three-order average vibration response of the FFF plate built using the vibration of the same amplitude but different frequencies
表5 利用幅值相同、频率不同的振动加工的FFF薄板振动响应的试验结果Tab.5 Experimental results of the vibration response of the FFF plate built using the vibration of the same amplitude but different frequencies
3.3.2 频率相同、幅值不同振动加工的影响
图6 利用频率相同、幅值不同的振动加工的FFF薄板的前3阶平均振动响应Fig.6 The first three-order average vibration response of the FFF plate built using the vibration of the same frequency but different amplitudes
表6 利用频率相同、幅值不同的振动加工的FFF薄板振动响应的试验结果Tab.6 Experimental results of the vibration response of the FFF plate built using the vibration of the same frequency but different amplitudes
本文通过试验研究了利用不同频率或幅值的振动加工对熔丝成型(FFF)产品固有特性、振动响应等动力学特性参数的影响规律。具体结论如下：
(1)利用振动加工可以降低FFF产品的固有频率，且随着振动频率或幅值的增加，固有频率将进一步降低；
而模态振型保持不变，即前3阶振型分别为一阶弯曲、一阶扭转和二阶弯曲。
(2)利用振动加工可以降低FFF产品的振动响应(即提高抗振能力)，且随着振动频率或幅值的增加，响应将进一步降低。
(3)利用振动可以改善FFF产品的动力学性能，且随着振动频率或幅值的增大，动力学性能进一步提升。
(4)本文提出利用振动加工改善FFF产品动力学特性的方法(即将压电陶瓷与FFF设备相结合，以将振动引入FFF过程)，研究成果可以为FFF技术的进一步发展做出一定的贡献。
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