吳 建, 陳慶平

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 蕪湖 241000;2.蕪湖同力安全環(huán)保技術(shù)有限公司,安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

近年來,小規(guī)模的3D 打印的普及程度明顯提高。3D 打印機(jī)使用熔絲制造(FFF)(ASTM 標(biāo)準(zhǔn)F2792-12a規(guī)定的材料擠出)制造零件,實現(xiàn)在家進(jìn)行3D 打印、分散制造的可能性。先前的研究表明,這種制造不僅可以降低消費(fèi)者的商品成本,而且對環(huán)境的影響也更低。隨著來自各種3D 打印存儲庫的用戶發(fā)布數(shù)千種設(shè)計,3D 打印的開源設(shè)計呈指數(shù)級增長,并有望繼續(xù)增長。這種增長在消費(fèi)者層面得到了推動,3D 打印機(jī)已被證明是中產(chǎn)階級和制造商群體的一種經(jīng)濟(jì)實惠的購買方式。

在制造商群體中,聚乳酸(PLA)是最流行的FFF 3D 打印材料,可供絕大多數(shù)3D 打印耗材供應(yīng)商使用。PLA 具有相對較低的熔點(diǎn)(150°-160°C),與其他材料相比,它需要更少的能量進(jìn)行打印,具有了明顯的優(yōu)勢。此外,PLA 已被證明是ABS的更安全替代品,ABS是可用性衡量的第二流行3D 打印材料。對3D 打印PLA 的機(jī)械性能進(jìn)行了詳細(xì)研究。此外,市場上還有許多其他材料可用于FFF 3D 打印的聚合物材料,包括尼龍、聚碳酸酯(PC)、高密度聚乙烯(HDPE)、高抗沖聚苯乙烯(HIPS)等。隨著新型且價格合理的3D 打印技術(shù)的不斷發(fā)展,FFF 可能變得常見的材料類型預(yù)計將持續(xù)增長,并涉及到對普通3D 打印材料使用添加劑(即增強(qiáng)劑)以增加材料強(qiáng)度。

最近的一系列研究調(diào)查了PLA 和ABS在現(xiàn)實環(huán)境條件下的機(jī)械性能,研究發(fā)現(xiàn),著色劑改變了微觀結(jié)構(gòu)(結(jié)晶度百分比),并對強(qiáng)度產(chǎn)生了影響。由于這些研究的性質(zhì)是在用戶選擇的最佳條件下運(yùn)行不同的3D 打印機(jī),因此處理溫度會發(fā)生變化,這對打印質(zhì)量和強(qiáng)度有重大影響。這些因素增加了3D 打印用戶隨機(jī)抽樣中發(fā)現(xiàn)的不一致性,使得消費(fèi)者難以確定單個打印的強(qiáng)度。

為了擴(kuò)展這一初步知識,研究使用開源3D 打印機(jī)對多種材料(包括Ninjaflex(5種顏色)、Semi-Flex(4種顏色)、HIPS(5種顏色)、T-Glase(5種顏色)、聚碳酸酯(1 種顏色)、尼龍(2 種類型)和ABS(1 種顏色)的機(jī)械性能進(jìn)行了研究.按照ASTM D638對樣品進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試。給出了各種FFF打印材料的力學(xué)性能的結(jié)果和結(jié)論,以促進(jìn)開源3D 打印的開源開發(fā)。

1 實驗方法

根據(jù)ASTM D638標(biāo)準(zhǔn),使用Lulzbot TAZ 3.1和Lulzbot TAZ 4兩種3D 打印機(jī)打印每種材料的十個試樣。所有材料均來自同一供應(yīng)商。在Lulzbot 3.1 上安裝“flexystruder”工 具頭,Ninjaflex,SemiFlex和尼龍橋等柔性長絲被印刷在Lulzbot 3.1 上。 所有其他剛性材料均采用Lulzbot TAZ 4印刷。所有樣本均在室內(nèi)溫度控制環(huán)境下100% 填充打印。此外,根據(jù)材料的不同,用不同的擠出機(jī)溫度打印樣品。使用供應(yīng)商的建議作為基準(zhǔn),對每種材料的其他打印參數(shù)(如層高、速度和自定義控制)進(jìn)行了微調(diào),以產(chǎn)生可接受的打印質(zhì)量和均勻性。

然后,按照ASTM D638標(biāo)準(zhǔn),對每種材料/顏色組合的十個印刷拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗。剛性試樣在INSTRON 4206上進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試,使用10k N 稱重傳感器進(jìn)行載荷測量,十字頭數(shù)據(jù)用于延伸測量。從而獲得了剛性材料的最大拉伸應(yīng)力值和相應(yīng)的應(yīng)變值。

發(fā)現(xiàn)柔性材料的延伸量大于INSTRON 4206的允許值,因此使用相同的稱重傳感器和Bluehill 2軟件在INSTRON 4210上測試柔性材料。使用INSTRON 4210時,大多數(shù)柔性材料不會斷裂,比例限制非常低。因此,測量特定延伸值(60mm)下的應(yīng)力載荷值,以比較不同材料和顏色。所有剛性材料的方向都是對角的(與拉力方向成對角)。將柔性材料印刷在兩個不同的方向上,以比較兩個方向之間的柔性差異。

2 結(jié)果與討論

表1和表2 分別對剛性和半柔性材料的3D打印材料拉伸試驗結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)。

表1 3D 打印剛性材料的拉伸試驗結(jié)果

HIPS(白) 3.04 882.51 21.21 HIPS(灰) 3.48 888.05 21.35尼龍618 41.71 1314.42 31.60聚碳酸酯 8.57 2041.64 49.08 T-Glase(灰) 5.77 1241.89 28.79 T-Glase(藍(lán)) 6.31 1360.52 32.70 T-Glase(綠) 5.65 1470.97 35.36 T-Glase(紅) 5.50 1428.28 34.33

表2 3D 打印半柔性材料的拉伸試驗結(jié)果

圖1-3 顯示了4 種3D 打印材料ABS,HIPS,尼龍618,聚碳酸酯的載荷和質(zhì)量的分析表明,試樣質(zhì)量和載荷之間存在顯著的相關(guān)性。受試材料中最強(qiáng)的材料是聚碳酸酯,最大拉伸強(qiáng)度為49.08 MPa。最柔軟的材料是Ninjaflex,它在延伸約800% 后不會斷裂。Ninjaflex 在800% 延伸率下的拉伸應(yīng)力為12.69 MPa(所有顏色的平均值)。尼龍材料比Ninjaflex 和SemiFlex 更堅固,比ABS,HIPS,T-Glase和聚碳酸酯更柔韌,在強(qiáng)度和柔韌性之間提供了良好的平衡。從測試多種顏色的材料也可以清楚地看出,材料的顏色會對3D打印材料能夠承受的最大應(yīng)力產(chǎn)生重大影響。還應(yīng)指出的是,盡管在大多數(shù)試驗中,單一材料和顏色內(nèi)的差異較小,但仍觀察到一些顯著差異,表明機(jī)械重要部件需要保守的安全系數(shù)。

圖1 ABS的最大應(yīng)力(MPa)樣品質(zhì)量與纖維質(zhì)量百分比的函數(shù)

對于大多數(shù)樣品,強(qiáng)度與樣品質(zhì)量成正比。表3對此進(jìn)行了量化,其中顯示了每個材料族的相關(guān)系數(shù)。尼龍618是唯一顯示負(fù)相關(guān)性的材料,仔細(xì)檢查數(shù)據(jù)表明不存在相關(guān)性,因為擬合誤差是所有測試材料中最嚴(yán)重的。

表3 作為3D 打印材料函數(shù)的相關(guān)系數(shù)

研究表明,印刷材料的結(jié)晶度對顏色的拉伸強(qiáng)度有影響。不同顏色之間的結(jié)晶度差異可能是由于添加了著色劑。通常,對于所有材料,顏色都會影響理想試樣的百分比,進(jìn)而影響機(jī)械性能。每種顏色的最佳印刷溫度略有不同。不同顏色的質(zhì)量可能因各種其他因素而不同,例如:密度、濕度略有差異,以及由于添加著色劑而導(dǎo)致化學(xué)鍵較弱。目前,商業(yè)長絲供應(yīng)商的著色劑和其他添加劑尚不清楚。這就指出了開源開發(fā)模式的必要性。開源開發(fā)模式在3D 打印領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大的成功,它已經(jīng)從材料科學(xué)軟件擴(kuò)展到了開源材料開發(fā)領(lǐng)域。

首先,應(yīng)檢查印刷品的外部是否存在擠壓不足的次優(yōu)層。例如,如果在外表面檢測到欠拉伸,則如果機(jī)械穩(wěn)定性對特定應(yīng)用非常重要,則應(yīng)重新打印零件。其次,為了確定內(nèi)部是否存在擠壓不足,測量樣品的質(zhì)量。沒有實驗室級天平的消費(fèi)者可以使用數(shù)字食品天平來獲得可接受的精度和準(zhǔn)確度。

高抗拉強(qiáng)度和高柔韌性材料在FFF分布式制造中有許多應(yīng)用。首先,面向發(fā)展中國家的開源適用技術(shù)(OSAT)的許多實際應(yīng)用需要高強(qiáng)度材料。例如,有機(jī)農(nóng)場主在小型農(nóng)場使用的手動工具需要具備更高性能材料的強(qiáng)度才能實用。這些同樣的工具也可以在發(fā)達(dá)國家的花園中使用。柔性材料的使用,如SemiFlex,Nylon Bridge和NinjaFlex,在這里測試,同樣打開了其他應(yīng)用程序,如直接與人類接觸的部件,如手柄、表帶、鞋、皮帶和面罩環(huán)。柔性材料也適用于敏感設(shè)備的減震外殼,并為用戶提供更好的抓地力。柔性材料也可用于制作定制鞋墊和矯正器。這種柔性材料的技術(shù)應(yīng)用包括正時皮帶、墊片、氣囊、o形圈、減震和減振。

這項研究有一些局限性。樣品的密度是針對材料組而不是針對同一材料的單個顏色測量的。不同顏色之間的密度可能存在微小差異,這可以解釋材質(zhì)顏色之間的質(zhì)量差異。測量的密度取決于水的密度,以及可能產(chǎn)生微小誤差的各種環(huán)境因素。盡管在大多數(shù)其他情況下,這種誤差是微不足道的,但本研究中的細(xì)絲密度接近于水的密度,這可能會產(chǎn)生重大影響。還應(yīng)指出,十字頭延伸僅適用于試樣的縮小截面。逐漸變細(xì)的部分會有一些延伸,但它只會影響應(yīng)變值,而不會影響最大應(yīng)力值,這是本研究的重點(diǎn)。研究中,由于取向而產(chǎn)生的荷載差異僅限于兩種材料,但之前已觀察到。

這些限制導(dǎo)致了未來工作的幾個潛在來源?？梢栽谕耆芸睾涂蓽y量的環(huán)境中研究各種試樣質(zhì)量差異背后的原因。也可以打印材料,使試樣的長度在打印機(jī)上垂直,并可以測試?yán)鞆?qiáng)度。該方向是軸中最弱的方向,因為FFF 中看似實心的填充層之間存在間隙。此外,需要進(jìn)一步研究零件幾何形狀的影響,以確定FFF 的制造限制。材料在儲存過程中會發(fā)生顯著的性能變化。為了說明這一點(diǎn),相同的材料在打印前和打印后以及隨后測試的不同存儲條件下可以幫助確定3D 打印材料的環(huán)境敏感性。最后,隨著3D 打印機(jī)材料市場的不斷擴(kuò)大,將有其他復(fù)合材料可用于機(jī)械加載零件,這些材料需要進(jìn)行測試。

圖2 HIPS的最大應(yīng)力(MPa)是樣品質(zhì)量與纖維質(zhì)量百分比的函數(shù)

圖3 尼龍618的最大應(yīng)力(MPa)是樣品質(zhì)量與長絲質(zhì)量百分比的函數(shù)

圖4 聚碳酸酯的最大應(yīng)力(MPa)是樣品質(zhì)量與長絲質(zhì)量百分比的函數(shù)

3 結(jié) 論

該研究清楚地表明,對于所有材料,3D 打印試樣的抗拉強(qiáng)度在很大程度上取決于試樣的質(zhì)量。這種依賴性使消費(fèi)者能夠通過兩步過程來估計給定材料的拉伸強(qiáng)度,從而解決未知打印質(zhì)量對3D打印零件機(jī)械性能影響的挑戰(zhàn)。首先,從視覺上檢查印刷品的外部是否存在擠壓不足或擠壓過度的次優(yōu)層。然后,為了確定內(nèi)部是否存在擠壓不足,測量樣品的質(zhì)量。使用本研究中提供的材料密度和物體體積,將該質(zhì)量與理論值進(jìn)行比較。這兩個步驟提供了一種方法,幫助低成本開源3D 打印機(jī)將其對象生產(chǎn)范圍擴(kuò)展到功能部件。測試材料中最強(qiáng)的是聚碳酸酯,最大拉伸強(qiáng)度為49 MPa。最柔軟的材料是Ninjaflex,它在延伸約800%后不會斷裂。Ninjaflex在800%延伸率下的拉伸應(yīng)力超過12 MPa(所有顏色的平均值)。 尼龍材料比Ninjaflex和SemiFlex更堅固,比ABS,HIPS,TGlase和聚碳酸酯更柔韌,這在強(qiáng)度和柔韌性之間提供了良好的平衡。