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附錄1 外文譯文 入門級3D打印機的PLA材料性能測試 摘要 一臺入門級的3D打印機，the MakerBot Replicator 2x，使用平均價格、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糠謴姸鹊挠绊?。PLA細絲也受拉伸試驗。 對3d打印試樣的拉伸試驗表明，45°的光柵方向角使試樣的最大抗拉強度為64 MPa。在58 MPa和54 MPa的情況下，采用三點彎曲夾具對印刷試樣進行彎曲試驗，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)使用的細絲。 引言 3d打印機已經(jīng)成為家庭用戶的必備。事實上，有許多高質(zhì)量的3d打印機，售價在3000美元以下，包括雙擠出機。許多這樣的消費者級3d打印機正以打印機的形式出售，這些打印機使用的是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，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打印機制造商正在生產(chǎn)和支持3d打印機，這些打印機只使用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。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)”模型機器上進行的。消費者機器的打印質(zhì)量基本上未被測試，而描述3d打印的PLA材料特性的文獻是找不到的。本研究旨在從消費者3d打印機上開始了解3d打印PLA的行為。對試件進行了拉伸強度、抗彎強度和疲勞性能的研究，并進行了拉伸試驗。默認(rèn)情況下，如果3d打印機的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，因為它與材料各向異性有關(guān)。 實驗步驟 在PLA細絲上進行了幾種類型的力學(xué)性能測試，并使用PLA進行3d打印。所有標(biāo)本都印在消費者3d打印機上，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行彎曲試驗)來確定合適的應(yīng)力值。采用MTS通用加載機進行拉伸和疲勞試驗。對3d打印試樣進行拉伸試驗，并進行了MTS 858加載框架MTS 25kN加載單元的所有疲勞試驗。在一個5kN負載單元的MTS Insight加載框架上進行了PLA纖維的拉伸試驗和彎曲試驗。在兩臺機器上，都使用LVDTs來測量位移，而MTS擴展器(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行的(大約20°C)。 樣品經(jīng)ASTM D638標(biāo)準(zhǔn)試驗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(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)試驗方法對未加筋和增強塑料和電氣絕緣材料的彎曲性能進行了測試。采用MTS三點式彎曲試驗臺。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 根據(jù)ASTM D7791 -標(biāo)準(zhǔn)試驗方法對塑料的單軸疲勞性能進行了MTS 858加載框架的疲勞試驗。用聚氯乙烯補償法對試件進行了持續(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赫茲的速率下進行。因此，在這個實驗中，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。本實驗的疲勞疲勞極限為100萬次。如果標(biāo)本沒有突破一百萬圈，測試就停止了。所有測試進行的應(yīng)力比=?1。 PLA纖維拉伸試驗 PLA的長絲單獨進行了測試。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 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)本則足夠堅韌，不能斷裂。最終，測試停止了，因為試件接觸到了測試夾具。 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，因為它已經(jīng)達到疲勞極限了，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行了“調(diào)整”應(yīng)力值的計算。 與所有疲勞試驗一樣，結(jié)果是隨機的，盡管確定值的系數(shù)相當(dāng)高。可以看出，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，不加載任何負載，圖中可以看出，0°標(biāo)本疲勞強度比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)該用更多的樣本進行更深度的研究，并且應(yīng)該在更大的壓力水平上進行測試，以證實或否認(rèn)這些發(fā)現(xiàn)。 這項研究認(rèn)為疲勞極限是100萬次。在這項研究中，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)。 細絲拉伸試驗 在不經(jīng)過印刷工藝擠壓的情況下，對細絲也進行了測試。用幾中應(yīng)變速率來測試細絲。 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行了視覺評價。通過這一評價，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載沒有貢獻，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。 結(jié)論 本文測試了PLA纖維和PLA打印試樣的力學(xué)性能。拉伸試驗中，45°光柵取向標(biāo)本強度是最高的。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)進一步研究。然而，這45°樣本的疲勞強度極限是最高的。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