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附錄1 外文譯文
入門級3D打印機(jī)的PLA材料性能測試
摘要
一臺入門級的3D打印機(jī)，the MakerBot Replicator 2x，使用平均價(jià)格、通用品牌的PLA材料(類似一個家庭用戶可以購買的燈絲)打印標(biāo)本進(jìn)行拉伸，彎曲和疲勞測試。試樣在0°、45°、90°的光柵方向上打印，以測試方向?qū)Σ糠謴?qiáng)度的影響。PLA細(xì)絲也受拉伸試驗(yàn)。
對3d打印試樣的拉伸試驗(yàn)表明，45°的光柵方向角使試樣的最大抗拉強(qiáng)度為64 MPa。在58 MPa和54 MPa的情況下，采用三點(diǎn)彎曲夾具對印刷試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，0°和90°的光柵方向不太明顯。對于這種類型的測試，0°的光柵方向產(chǎn)生了最強(qiáng)烈的部分，最終的彎曲應(yīng)力為102 MPa。45°和90°光柵方向類似的結(jié)果在90 MPa和86 MPa。疲勞測試沒有明確的最佳選擇，但顯然有一個糟糕的選擇，90°光柵取向，這個方向明顯比其他兩個光柵方向的疲勞壽命要低。另外兩個光柵方向，0°和45°非常相似。PLA細(xì)絲測試采用bollard式夾頭，表明PLA燈絲顯示的力學(xué)性能與印刷樣品相似-當(dāng)測試在較高的應(yīng)變率時，損傷沒有發(fā)揮重要的作用。這可能會導(dǎo)致回收失敗的3d打印作業(yè)，并將其轉(zhuǎn)化為可重復(fù)使用的細(xì)絲。
引言
3d打印機(jī)已經(jīng)成為家庭用戶的必備。事實(shí)上，有許多高質(zhì)量的3d打印機(jī)，售價(jià)在3000美元以下，包括雙擠出機(jī)。許多這樣的消費(fèi)者級3d打印機(jī)正以打印機(jī)的形式出售，這些打印機(jī)使用的是PLA，而不是更傳統(tǒng)的，更難以印刷的丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)材料。PLA比ABS結(jié)實(shí)，但更脆。PLA有一個較低的熱膨脹系數(shù)，它減少了翹曲的影響，不附著在印刷表面上，并且在印刷時出現(xiàn)了很大的部分開裂。但PLA的最明顯的缺點(diǎn)是較低的載荷撓度溫度(50到140°C)，這將導(dǎo)致印刷部件變形時暴露在溫暖的環(huán)境中。一公斤的材料大約是50美元(在2014年初)?？紤]到這一切，很容易理解為什么許多3d打印機(jī)制造商正在生產(chǎn)和支持3d打印機(jī)，這些打印機(jī)只使用PLA。
現(xiàn)在很多人都是這樣，而且很快就會有更多的人用自己的3d打印機(jī)在自己家里打印。僅MakerBot公司在過去的5年里就售出了15000多臺3d打印機(jī)。ABS的材料特性和特性已經(jīng)得到了很好的研究，包括許多對打印方向的研究。這些研究大多是在“專業(yè)”模型機(jī)器上進(jìn)行的。消費(fèi)者機(jī)器的打印質(zhì)量基本上未被測試，而描述3d打印的PLA材料特性的文獻(xiàn)是找不到的。本研究旨在從消費(fèi)者3d打印機(jī)上開始了解3d打印PLA的行為。對試件進(jìn)行了拉伸強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和疲勞性能的研究，并進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。默認(rèn)情況下，如果3d打印機(jī)的MakerBot系列使用的MakerWare軟件被告知要在100%填充的情況下打印一個樣本/對象，那么切片軟件就會在交替的光柵方向上打印，層層疊加。一種自定義的印刷資料，是為了將標(biāo)本完全印在單個光柵方向上，以檢查印刷方向，因?yàn)樗c材料各向異性有關(guān)。
實(shí)驗(yàn)步驟
在PLA細(xì)絲上進(jìn)行了幾種類型的力學(xué)性能測試，并使用PLA進(jìn)行3d打印。所有標(biāo)本都印在消費(fèi)者3d打印機(jī)上，即MakerBot Replicator 2x。自定義打印配置文件用于控制切片/打印軟件，該軟件允許在單個指定的光柵方向上打印整個樣品。每個標(biāo)本都單獨(dú)打印在打印床的中心，以便盡可能地生產(chǎn)出所有的標(biāo)本。對于所有的標(biāo)本，在標(biāo)本的周長上使用了兩個“外殼”，在標(biāo)本的內(nèi)部用100%填充指定的光柵朝向。PLA材料擠壓在230°C、100毫米/秒的速度與加熱床面在65°C。所有的標(biāo)本都是用同一品牌的PLA長絲，購買兩個1公斤的線軸。
每個標(biāo)本在測試部分的幾個位置分別測量厚度和寬度。根據(jù)ASTMs，采用最小的橫截面面積(或梁中心的橫截面面積進(jìn)行彎曲試驗(yàn))來確定合適的應(yīng)力值。采用MTS通用加載機(jī)進(jìn)行拉伸和疲勞試驗(yàn)。對3d打印試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并進(jìn)行了MTS 858加載框架MTS 25kN加載單元的所有疲勞試驗(yàn)。在一個5kN負(fù)載單元的MTS Insight加載框架上進(jìn)行了PLA纖維的拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)。在兩臺機(jī)器上，都使用LVDTs來測量位移，而MTS擴(kuò)展器(型號634.31F-24)的長度為20mm，用于測量3d打印試樣的拉力測試。所有測試都是在室溫下進(jìn)行的(大約20°C)。
樣品經(jīng)ASTM D638標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測定塑料的拉伸性能。MTS楔形鉗以5mm /min的速度移動，數(shù)據(jù)(力、抓地力和應(yīng)變)在100hz處收集。MTS型號634.31F-24伸長計(jì)(20毫米長度)用于測量應(yīng)變。在本研究中測試的三個光柵方向上分別測試了5個樣本。
根據(jù)ASTM D790 -標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法對未加筋和增強(qiáng)塑料和電氣絕緣材料的彎曲性能進(jìn)行了測試。采用MTS三點(diǎn)式彎曲試驗(yàn)臺。使用了5.1 cm的支撐跨度。握桿以10毫米/分鐘的速度移動，造成撓曲。標(biāo)本的制作時間超過了必要的長度，以保證在試樣偏轉(zhuǎn)時，支撐足夠的長度。
3d打印試件單軸疲勞試驗(yàn)
根據(jù)ASTM D7791 -標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法對塑料的單軸疲勞性能進(jìn)行了MTS 858加載框架的疲勞試驗(yàn)。用聚氯乙烯補(bǔ)償法對試件進(jìn)行了持續(xù)的應(yīng)力測試，以保證試件從未超載。根據(jù)ASTM，測試可以在20赫茲的速率下進(jìn)行。因此，在這個實(shí)驗(yàn)中，試件在2赫茲，1000個周期時使用正弦加載波形，然后是5赫茲，10,000個周期，然后是20hz直到失敗。失敗被認(rèn)為是一個完全斷裂的標(biāo)本。本實(shí)驗(yàn)的疲勞疲勞極限為100萬次。如果標(biāo)本沒有突破一百萬圈，測試就停止了。所有測試進(jìn)行的應(yīng)力比=?1。
PLA纖維拉伸試驗(yàn)
PLA的長絲單獨(dú)進(jìn)行了測試。在MTS Insight加載框架中，用Bollard風(fēng)格夾鉗夾住了200mm的樣品。采用幾種置換率(500mm /min, 200mm /min, 50mm /min, 5 mm/min)來測試燈絲。
結(jié)論
3D打印的試樣拉伸試驗(yàn)
每個光柵方向角測試5個樣品，在PLA的例子中，45的光柵方向產(chǎn)生了最強(qiáng)的樣本。
3D打印的樣品彎曲測試
在每個光柵方向上打印并測試了5個彎曲試件。在這次試驗(yàn)中，失敗被認(rèn)為是一個完全斷裂的標(biāo)本。然而，標(biāo)本往往沒有完全斷裂。在沒有完全斷裂的標(biāo)本中，有些標(biāo)本破裂了，但外殼卻保持在一起，而其余的標(biāo)本則足夠堅(jiān)韌，不能斷裂。最終，測試停止了，因?yàn)樵嚰佑|到了測試夾具。
PLA印刷樣品，斷裂前0°光柵定位印刷樣品最高極限應(yīng)力為102.203 MPa。
3D打印試樣疲勞測試
疲勞試樣被打印出來，然后加載，直到試件完全破裂(或達(dá)到疲勞極限)。最后，對于大多數(shù)0°光柵取向標(biāo)本，標(biāo)本的外部“鏈”，在標(biāo)距長度區(qū),與主體分離的標(biāo)本。據(jù)觀察，這片標(biāo)本沒有提供任何支撐，因?yàn)樗呀?jīng)達(dá)到疲勞極限了，而且這條鏈最終會脫離標(biāo)本。在每一個試樣失敗后，測量并減去用于計(jì)算他所需要的載荷的區(qū)域，以引起指定的交變應(yīng)力。利用調(diào)整后的橫截面面積對試件施加的荷載進(jìn)行了“調(diào)整”應(yīng)力值的計(jì)算。
與所有疲勞試驗(yàn)一樣，結(jié)果是隨機(jī)的，盡管確定值的系數(shù)相當(dāng)高?？梢钥闯?，90的光柵方向試樣明顯具有最低的疲勞能力。調(diào)整后0°標(biāo)本占“鏈”的斷裂在測試過程中，不加載任何負(fù)載，圖中可以看出，0°標(biāo)本疲勞強(qiáng)度比45°標(biāo)本高35 MPa以上。在35 MPa以下，45個標(biāo)本具有最佳的疲勞壽命。這些趨勢應(yīng)該用更多的樣本進(jìn)行更深度的研究，并且應(yīng)該在更大的壓力水平上進(jìn)行測試，以證實(shí)或否認(rèn)這些發(fā)現(xiàn)。
這項(xiàng)研究認(rèn)為疲勞極限是100萬次。在這項(xiàng)研究中，三個光柵取向的耐力極限測試為5 MPa(0°標(biāo)本),10 MPa(45°標(biāo)本),0.5 MPa(90°標(biāo)本)。
細(xì)絲拉伸試驗(yàn)
在不經(jīng)過印刷工藝擠壓的情況下，對細(xì)絲也進(jìn)行了測試。用幾中應(yīng)變速率來測試細(xì)絲。
對于兩種最快的應(yīng)變速率(500mm /min和200mm /min)，極限應(yīng)力與彈性模量相似。兩種較慢的應(yīng)變速率(50mm /min和5 mm/min)具有較低的極限強(qiáng)度，但在失效前有較長的最大延伸率——可能受到較長的測試時間的蠕變影響。
盡管在試樣中PLA塑料被加熱并擠出了一段時間，但它的最終應(yīng)力(不受蠕變影響)與印刷標(biāo)本的結(jié)果相似。這一發(fā)現(xiàn)可能是有用的，可以考慮是否從3d打印的浪費(fèi)PLA材料可以回收到新的燈絲，用于未來的印刷。
顯微鏡評估
用Keyence VHX-600顯微鏡對試樣的幾個小特征進(jìn)行了視覺評價(jià)。通過這一評價(jià)，指出了印刷質(zhì)量存在的幾個問題。最值得注意的是在0°光柵取向，3d打印機(jī)在試件的半徑部分和整個試樣的一側(cè)都留有間隙。
在高應(yīng)力(低循環(huán))疲勞試驗(yàn)過程中，印件與試件主體之間的間隙非常明顯。用顯微鏡測量了幾個樣品之間的間隙。平均縫隙厚度為181.47 m。在這些高應(yīng)力疲勞試驗(yàn)中，注意到試件的外殼與試件主體完全分離，并沒有對試件的剛度造成影響，當(dāng)載荷被循環(huán)時，試件留下的“松散的鏈”振動。這條松散的鏈看起來是在循環(huán)疲勞開始后幾乎立即彎曲，在屈曲開始后很快就釋放了。由于試件在沒有峰值/谷機(jī)位移變化的情況下仍保持了完整的疲勞載荷，因此確定松散的斷鏈對試件的負(fù)載沒有貢獻(xiàn)，因此松散的鏈斷裂不應(yīng)構(gòu)成試件的失效。
與0°的光柵方向角顯示的問題相比，45°和90°的方向沒有在試件半徑附近或任何地方的任何間隙問題。由于標(biāo)本切片和分層的問題，所有的空間都可以填補(bǔ)。
結(jié)論
本文測試了PLA纖維和PLA打印試樣的力學(xué)性能。拉伸試驗(yàn)中，45°光柵取向標(biāo)本強(qiáng)度是最高的。在疲勞測試，90°標(biāo)本顯然是最不耐疲勞載荷。45°標(biāo)本和0°標(biāo)本的疲勞壽命非常相似，應(yīng)進(jìn)一步研究。然而，這45°樣本的疲勞強(qiáng)度極限是最高的。燈絲測試(在更高的應(yīng)變率下，蠕變不是一個因素)顯示了類似的結(jié)果印刷。標(biāo)本的結(jié)果可能有助于確定打印作業(yè)失敗是否可以回收再重新打印，顯微鏡的評價(jià)有助于確定印刷過程中標(biāo)本留下的縫隙尺寸。
附錄2 外文原文