王富偉，朱書(shū)桓，韋明帝，羅天身

（北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

3D 打印技術(shù)是當(dāng)前最受關(guān)注的先進(jìn)制造技術(shù)之一，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的重要標(biāo)志。當(dāng)前3D 打印技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)方面，如航空航天、生物醫(yī)療、汽車(chē)工業(yè)、教育、文藝創(chuàng)作及家庭娛樂(lè)等，人們的工作和生活方式正因3D 打印技術(shù)而發(fā)生改變。

熔融沉積技術(shù)是當(dāng)前主流的桌面級(jí)3D 打印技術(shù)，由于其操作便捷和原理簡(jiǎn)單而備受推崇。然而，熔融沉積3D 打印PLA 材料存在強(qiáng)度不足的問(wèn)題[1]，多數(shù)情況下只能用于觀賞和功能驗(yàn)證。關(guān)于3D 打印構(gòu)件的強(qiáng)度問(wèn)題，學(xué)者們開(kāi)展了較多的研究，如姜鑫等通過(guò)壓縮實(shí)驗(yàn)研究了3D 打印碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能[2]，王鶴通過(guò)拉伸、壓縮、彎曲實(shí)驗(yàn)研究了短碳纖維增強(qiáng)3D 打印用光敏樹(shù)脂及力學(xué)性能[3]。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法，研究特定填充率和填充形式時(shí)3D打印PLA桿件的材料力學(xué)性能，分析桿件在拉伸和壓縮情況下其載荷-變形、應(yīng)力應(yīng)變變化情況，得出3D 打印桿件的拉伸、壓縮強(qiáng)度極限。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）3D 打印試件制備

在Pro/E 三維建模軟件中設(shè)計(jì)拉伸和壓縮試件模型，導(dǎo)出為stl 格式，導(dǎo)入切片軟件，進(jìn)行切片處理及打印屬性設(shè)置，利用桌面3D 打印機(jī)進(jìn)行模型打印，如圖1 所示。

圖1 拉壓桿件的3D 打印過(guò)程

試件填充率均為15%，填充形式為方形網(wǎng)格填充；拉伸試件直徑為10mm，標(biāo)距長(zhǎng)度分別為70mm、80mm 和90mm；壓縮試件的直徑為15mm，長(zhǎng)度為25mm。

（二）拉伸壓縮實(shí)驗(yàn)過(guò)程

使用力學(xué)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)上述試件進(jìn)行拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)。其中，拉伸實(shí)驗(yàn)加載速率為1mm/min，當(dāng)試件斷裂時(shí)加載結(jié)束；壓縮實(shí)驗(yàn)加載速率為2mm/min，當(dāng)時(shí)間出現(xiàn)較大位錯(cuò)變形時(shí)加載結(jié)束。拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、3 所示。

圖2 拉伸實(shí)驗(yàn)

圖3 壓縮實(shí)驗(yàn)

拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)在電腦上記錄加載載荷與桿件伸長(zhǎng)量，并測(cè)量特定間隔時(shí)間時(shí)桿的直徑；壓縮實(shí)驗(yàn)中，實(shí)時(shí)記錄載荷與壓縮變形量，同時(shí)用游標(biāo)卡尺實(shí)時(shí)測(cè)量桿件的直徑。

二、結(jié)果與討論

（一）桿件拉伸

圖4 所示為3D 打印桿件在拉伸時(shí)的載荷與變形量變化曲線，從圖中可看出，隨著變形量的增加，載荷呈現(xiàn)出階梯式增長(zhǎng)，即加載一段時(shí)間，變形增加而載荷不變，接著載荷又隨變形量繼續(xù)增加，如此循環(huán)直至桿件斷裂。

相同規(guī)律也在應(yīng)力應(yīng)變曲線中存在，如圖5 所示。這說(shuō)明3D打印PLA桿件在拉伸過(guò)程中存在蠕變現(xiàn)象，即應(yīng)力（或載荷）不變而應(yīng)變（或變形），從圖中可知，蠕變現(xiàn)象存在于整個(gè)彈性變形階段，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到3.4MPa 時(shí)，桿件發(fā)生塑性變形，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到4.5MPa 時(shí)，桿件發(fā)生頸縮，并隨之?dāng)嗔选?/p>

由此可判斷出，當(dāng)填充率為15%，直徑為10mm，有效拉伸長(zhǎng)度為80 和90mm 時(shí)，桿件的拉伸彈性極限約為3.4MPa，其抗拉極限約為4.5MPa。根據(jù)σ=Eε，可知其彈性模量約為0.152GPa。

（二）桿件壓縮

圖6 所示為圓桿壓縮時(shí)的載荷變形曲線，當(dāng)載荷達(dá)到2411N 時(shí)，桿件變形快速增加，而載荷先快速減小，接著緩慢減小，最終逐漸趨于平緩。說(shuō)明當(dāng)載荷小于2411N 時(shí)的變形以彈性變形為主，而當(dāng)載荷超過(guò)該值，桿件發(fā)生變形均為塑形變形。

圖7 為壓縮時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，該曲線變化與載荷-變形曲線變化規(guī)律基本一致，載荷為2411N 時(shí)，其應(yīng)力值為30.7MPa，該值即為構(gòu)件的強(qiáng)度極限。而在發(fā)生完全塑形變形之前，應(yīng)力經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的緩慢上升，在這段緩慢上升期，桿件既存在彈性變形，又發(fā)生了塑性變形。由此可判定，壓縮彈性極限應(yīng)小于30.7MPa，約為21.3MPa。

圖4 桿件拉伸載荷-變形曲線

圖5 拉伸桿件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 桿件壓縮載荷-變形曲線

圖7 桿件壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

三、結(jié)論

本文以填充率為15%、方形填充形式為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了3D打印PLA桿件的拉伸和壓縮力學(xué)性能，經(jīng)過(guò)分析與討論，得出以下結(jié)論：

（1）桿件在拉伸時(shí)存在蠕變現(xiàn)象，且蠕變存在于整個(gè)拉伸變形過(guò)程；

（2）桿件的拉伸彈性極限約為3.4MPa，抗拉極限約為4.5MPa；

（3）圓桿壓縮時(shí)的彈性極限約為21.3MPa，抗壓極限約為30.7MPa；

（4）3D 桿件的抗壓極限約為抗拉極限的7 倍，說(shuō)明3D 桿件承受壓載荷的能力遠(yuǎn)高于承受拉載荷的能力。