Prusa i3型3D打印機(jī)設(shè)計(jì)
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附錄1 外文譯文
入門級(jí)3D打印機(jī)的PLA材料性能測(cè)試
摘要
一臺(tái)入門級(jí)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(gè)家庭用戶可以購(gòu)買的燈絲)打印標(biāo)本進(jìn)行拉伸,彎曲和疲勞測(cè)試。試樣在0°、45°、90°的光柵方向上打印,以測(cè)試方向?qū)Σ糠謴?qiáng)度的影響。PLA細(xì)絲也受拉伸試驗(yàn)。
對(duì)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(duì)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(duì)于這種類型的測(cè)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(cè)試沒有明確的最佳選擇,但顯然有一個(gè)糟糕的選擇,90°光柵取向,這個(gè)方向明顯比其他兩個(gè)光柵方向的疲勞壽命要低。另外兩個(gè)光柵方向,0°和45°非常相似。PLA細(xì)絲測(cè)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(cè)試在較高的應(yīng)變率時(shí),損傷沒有發(fā)揮重要的作用。這可能會(huì)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(jí)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(gè)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(shí)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(shí)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(huì)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(guò)去的5年里就售出了15000多臺(tái)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(duì)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(cè)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(duì)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(gè)樣本/對(duì)象,那么切片軟件就會(huì)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(gè)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(cè)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(gè)指定的光柵方向上打印整個(gè)樣品。每個(gè)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(duì)于所有的標(biāo)本,在標(biāo)本的周長(zhǎng)上使用了兩個(gè)“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(zhǎng)絲,購(gòu)買兩個(gè)1公斤的線軸。
每個(gè)標(biāo)本在測(cè)試部分的幾個(gè)位置分別測(cè)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(lái)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(duì)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(gè)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(tái)機(jī)器上,都使用LVDTs來(lái)測(cè)量位移,而MTS擴(kuò)展器(型號(hào)634.31F-24)的長(zhǎng)度為20mm,用于測(cè)量3d打印試樣的拉力測(cè)試。所有測(cè)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(cè)定塑料的拉伸性能。MTS楔形鉗以5mm /min的速度移動(dòng),數(shù)據(jù)(力、抓地力和應(yīng)變)在100hz處收集。MTS型號(hào)634.31F-24伸長(zhǎng)計(jì)(20毫米長(zhǎng)度)用于測(cè)量應(yīng)變。在本研究中測(cè)試的三個(gè)光柵方向上分別測(cè)試了5個(gè)樣本。
根據(jù)ASTM D790 -標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法對(duì)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(cè)試。采用MTS三點(diǎn)式彎曲試驗(yàn)臺(tái)。使用了5.1 cm的支撐跨度。握桿以10毫米/分鐘的速度移動(dòng),造成撓曲。標(biāo)本的制作時(shí)間超過(guò)了必要的長(zhǎng)度,以保證在試樣偏轉(zhuǎn)時(shí),支撐足夠的長(zhǎng)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(duì)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(duì)試件進(jìn)行了持續(xù)的應(yīng)力測(cè)試,以保證試件從未超載。根據(jù)ASTM,測(cè)試可以在20赫茲的速率下進(jìn)行。因此,在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,試件在2赫茲,1000個(gè)周期時(shí)使用正弦加載波形,然后是5赫茲,10,000個(gè)周期,然后是20hz直到失敗。失敗被認(rèn)為是一個(gè)完全斷裂的標(biāo)本。本實(shí)驗(yàn)的疲勞疲勞極限為100萬(wàn)次。如果標(biāo)本沒有突破一百萬(wàn)圈,測(cè)試就停止了。所有測(cè)試進(jìn)行的應(yīng)力比=?1。
PLA纖維拉伸試驗(yàn)
PLA的長(zhǎng)絲單獨(dú)進(jìn)行了測(cè)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(lái)測(cè)試燈絲。
結(jié)論
3D打印的試樣拉伸試驗(yàn)
每個(gè)光柵方向角測(cè)試5個(gè)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(cè)試
在每個(gè)光柵方向上打印并測(cè)試了5個(gè)彎曲試件。在這次試驗(yàn)中,失敗被認(rèn)為是一個(gè)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(cè)試停止了,因?yàn)樵嚰佑|到了測(cè)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(cè)試
疲勞試樣被打印出來(lái),然后加載,直到試件完全破裂(或達(dá)到疲勞極限)。最后,對(duì)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(zhǎng)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(huì)脫離標(biāo)本。在每一個(gè)試樣失敗后,測(cè)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(duì)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(cè)試過(guò)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(gè)標(biāo)本具有最佳的疲勞壽命。這些趨勢(shì)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(cè)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(wàn)次。在這項(xiàng)研究中,三個(gè)光柵取向的耐力極限測(cè)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(guò)印刷工藝擠壓的情況下,對(duì)細(xì)絲也進(jìn)行了測(cè)試。用幾中應(yīng)變速率來(lái)測(cè)試細(xì)絲。
對(duì)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(zhǎng)的最大延伸率——可能受到較長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)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(shí)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(lái)的印刷。
顯微鏡評(píng)估
用Keyence VHX-600顯微鏡對(duì)試樣的幾個(gè)小特征進(jìn)行了視覺評(píng)價(jià)。通過(guò)這一評(píng)價(jià),指出了印刷質(zhì)量存在的幾個(gè)問(wèn)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(gè)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(guò)程中,印件與試件主體之間的間隙非常明顯。用顯微鏡測(cè)量了幾個(gè)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(duì)試件的剛度造成影響,當(dāng)載荷被循環(huán)時(shí),試件留下的“松散的鏈”振動(dòng)。這條松散的鏈看起來(lái)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(duì)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(wèn)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(wèn)題。由于標(biāo)本切片和分層的問(wèn)題,所有的空間都可以填補(bǔ)。
結(jié)論
本文測(cè)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(cè)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(cè)試(在更高的應(yīng)變率下,蠕變不是一個(gè)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(píng)價(jià)有助于確定印刷過(guò)程中標(biāo)本留下的縫隙尺寸。
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