资源描述
附录1 外文译文入门级3D打印机的PLA材料性能测试摘要一台入门级的3D打印机，the MakerBot Replicator 2x，使用平均价格、通用品牌的PLA材料(类似一个家庭用户可以购买的灯丝)打印标本进行拉伸，弯曲和疲劳测试。试样在0、45、90的光栅方向上打印，以测试方向对部分强度的影响。PLA细丝也受拉伸试验。对3d打印试样的拉伸试验表明，45的光栅方向角使试样的最大抗拉强度为64 MPa。在58 MPa和54 MPa的情况下，采用三点弯曲夹具对印刷试样进行弯曲试验，0和90的光栅方向不太明显。对于这种类型的测试，0的光栅方向产生了最强烈的部分，最终的弯曲应力为102 MPa。45和90光栅方向类似的结果在90 MPa和86 MPa。疲劳测试没有明确的最佳选择，但显然有一个糟糕的选择，90光栅取向，这个方向明显比其他两个光栅方向的疲劳寿命要低。另外两个光栅方向，0和45非常相似。PLA细丝测试采用bollard式夹头，表明PLA灯丝显示的力学性能与印刷样品相似-当测试在较高的应变率时，损伤没有发挥重要的作用。这可能会导致回收失败的3d打印作业，并将其转化为可重复使用的细丝。引言3d打印机已经成为家庭用户的必备。事实上，有许多高质量的3d打印机，售价在3000美元以下，包括双挤出机。许多这样的消费者级3d打印机正以打印机的形式出售，这些打印机使用的是PLA，而不是更传统的，更难以印刷的丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)材料。PLA比ABS结实，但更脆。PLA有一个较低的热膨胀系数，它减少了翘曲的影响，不附着在印刷表面上，并且在印刷时出现了很大的部分开裂。但PLA的最明显的缺点是较低的载荷挠度温度(50到140C)，这将导致印刷部件变形时暴露在温暖的环境中。一公斤的材料大约是50美元(在2014年初)。考虑到这一切，很容易理解为什么许多3d打印机制造商正在生产和支持3d打印机，这些打印机只使用PLA。现在很多人都是这样，而且很快就会有更多的人用自己的3d打印机在自己家里打印。仅MakerBot公司在过去的5年里就售出了15000多台3d打印机。ABS的材料特性和特性已经得到了很好的研究，包括许多对打印方向的研究。这些研究大多是在“专业”模型机器上进行的。消费者机器的打印质量基本上未被测试，而描述3d打印的PLA材料特性的文献是找不到的。本研究旨在从消费者3d打印机上开始了解3d打印PLA的行为。对试件进行了拉伸强度、抗弯强度和疲劳性能的研究，并进行了拉伸试验。默认情况下，如果3d打印机的MakerBot系列使用的MakerWare软件被告知要在100%填充的情况下打印一个样本/对象，那么切片软件就会在交替的光栅方向上打印，层层叠加。一种自定义的印刷资料，是为了将标本完全印在单个光栅方向上，以检查印刷方向，因为它与材料各向异性有关。实验步骤在PLA细丝上进行了几种类型的力学性能测试，并使用PLA进行3d打印。所有标本都印在消费者3d打印机上，即MakerBot Replicator 2x。自定义打印配置文件用于控制切片/打印软件，该软件允许在单个指定的光栅方向上打印整个样品。每个标本都单独打印在打印床的中心，以便尽可能地生产出所有的标本。对于所有的标本，在标本的周长上使用了两个“外壳”，在标本的内部用100%填充指定的光栅朝向。PLA材料挤压在230C、100毫米/秒的速度与加热床面在65C。所有的标本都是用同一品牌的PLA长丝，购买两个1公斤的线轴。每个标本在测试部分的几个位置分别测量厚度和宽度。根据ASTMs，采用最小的横截面面积(或梁中心的横截面面积进行弯曲试验)来确定合适的应力值。采用MTS通用加载机进行拉伸和疲劳试验。对3d打印试样进行拉伸试验，并进行了MTS 858加载框架MTS 25kN加载单元的所有疲劳试验。在一个5kN负载单元的MTS Insight加载框架上进行了PLA纤维的拉伸试验和弯曲试验。在两台机器上，都使用LVDTs来测量位移，而MTS扩展器(型号634.31F-24)的长度为20mm，用于测量3d打印试样的拉力测试。所有测试都是在室温下进行的(大约20C)。样品经ASTM D638标准试验方法测定塑料的拉伸性能。MTS楔形钳以5mm /min的速度移动，数据(力、抓地力和应变)在100hz处收集。MTS型号634.31F-24伸长计(20毫米长度)用于测量应变。在本研究中测试的三个光栅方向上分别测试了5个样本。根据ASTM D790 -标准试验方法对未加筋和增强塑料和电气绝缘材料的弯曲性能进行了测试。采用MTS三点式弯曲试验台。使用了5.1 cm的支撑跨度。握杆以10毫米/分钟的速度移动，造成挠曲。标本的制作时间超过了必要的长度，以保证在试样偏转时，支撑足够的长度。3d打印试件单轴疲劳试验根据ASTM D7791 -标准试验方法对塑料的单轴疲劳性能进行了MTS 858加载框架的疲劳试验。用聚氯乙烯补偿法对试件进行了持续的应力测试，以保证试件从未超载。根据ASTM，测试可以在20赫兹的速率下进行。因此，在这个实验中，试件在2赫兹，1000个周期时使用正弦加载波形，然后是5赫兹，10,000个周期，然后是20hz直到失败。失败被认为是一个完全断裂的标本。本实验的疲劳疲劳极限为100万次。如果标本没有突破一百万圈，测试就停止了。所有测试进行的应力比=1。PLA纤维拉伸试验PLA的长丝单独进行了测试。在MTS Insight加载框架中，用Bollard风格夹钳夹住了200mm的样品。采用几种置换率(500mm /min, 200mm /min, 50mm /min, 5 mm/min)来测试灯丝。结论3D打印的试样拉伸试验每个光栅方向角测试5个样品，在PLA的例子中，45的光栅方向产生了最强的样本。3D打印的样品弯曲测试在每个光栅方向上打印并测试了5个弯曲试件。在这次试验中，失败被认为是一个完全断裂的标本。然而，标本往往没有完全断裂。在没有完全断裂的标本中，有些标本破裂了，但外壳却保持在一起，而其余的标本则足够坚韧，不能断裂。最终，测试停止了，因为试件接触到了测试夹具。PLA印刷样品，断裂前0光栅定位印刷样品最高极限应力为102.203 MPa。3D打印试样疲劳测试疲劳试样被打印出来，然后加载，直到试件完全破裂(或达到疲劳极限)。最后，对于大多数0光栅取向标本，标本的外部“链”，在标距长度区,与主体分离的标本。据观察，这片标本没有提供任何支撑，因为它已经达到疲劳极限了，而且这条链最终会脱离标本。在每一个试样失败后，测量并减去用于计算他所需要的载荷的区域，以引起指定的交变应力。利用调整后的横截面面积对试件施加的荷载进行了“调整”应力值的计算。与所有疲劳试验一样，结果是随机的，尽管确定值的系数相当高。可以看出，90的光栅方向试样明显具有最低的疲劳能力。调整后0标本占“链”的断裂在测试过程中，不加载任何负载，图中可以看出，0标本疲劳强度比45标本高35 MPa以上。在35 MPa以下，45个标本具有最佳的疲劳寿命。这些趋势应该用更多的样本进行更深度的研究，并且应该在更大的压力水平上进行测试，以证实或否认这些发现。这项研究认为疲劳极限是100万次。在这项研究中，三个光栅取向的耐力极限测试为5 MPa(0标本),10 MPa(45标本),0.5 MPa(90标本)。细丝拉伸试验在不经过印刷工艺挤压的情况下，对细丝也进行了测试。用几中应变速率来测试细丝。对于两种最快的应变速率(500mm /min和200mm /min)，极限应力与弹性模量相似。两种较慢的应变速率(50mm /min和5 mm/min)具有较低的极限强度，但在失效前有较长的最大延伸率可能受到较长的测试时间的蠕变影响。尽管在试样中PLA塑料被加热并挤出了一段时间，但它的最终应力(不受蠕变影响)与印刷标本的结果相似。这一发现可能是有用的，可以考虑是否从3d打印的浪费PLA材料可以回收到新的灯丝，用于未来的印刷。显微镜评估用Keyence VHX-600显微镜对试样的几个小特征进行了视觉评价。通过这一评价，指出了印刷质量存在的几个问题。最值得注意的是在0光栅取向，3d打印机在试件的半径部分和整个试样的一侧都留有间隙。在高应力(低循环)疲劳试验过程中，印件与试件主体之间的间隙非常明显。用显微镜测量了几个样品之间的间隙。平均缝隙厚度为181.47 m。在这些高应力疲劳试验中，注意到试件的外壳与试件主体完全分离，并没有对试件的刚度造成影响，当载荷被循环时，试件留下的“松散的链”振动。这条松散的链看起来是在循环疲劳开始后几乎立即弯曲，在屈曲开始后很快就释放了。由于试件在没有峰值/谷机位移变化的情况下仍保持了完整的疲劳载荷，因此确定松散的断链对试件的负载没有贡献，因此松散的链断裂不应构成试件的失效。与0的光栅方向角显示的问题相比，45和90的方向没有在试件半径附近或任何地方的任何间隙问题。由于标本切片和分层的问题，所有的空间都可以填补。结论本文测试了PLA纤维和PLA打印试样的力学性能。拉伸试验中，45光栅取向标本强度是最高的。在疲劳测试，90标本显然是最不耐疲劳载荷。45标本和0标本的疲劳寿命非常相似，应进一步研究。然而，这45样本的疲劳强度极限是最高的。灯丝测试(在更高的应变率下，蠕变不是一个因素)显示了类似的结果印刷。标本的结果可能有助于确定打印作业失败是否可以回收再重新打印，显微镜的评价有助于确定印刷过程中标本留下的缝隙尺寸。附录2 外文原文
展开阅读全文