连续纤维增强3D印刷结构的拉伸性能的评估和预测外文翻译资料

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连续纤维增强3D印刷结构的拉伸性能的评估和预测

摘要：三维（3D）印刷是常规用于制造原型的技术。商业桌面3D打印机已经可以产生功能性3D打印件。Mark Forged的MarkOne生产用连续碳纤维，玻璃纤维或凯夫拉纤维增强的印刷结构。本研究的目的是评估纤维增强3D印刷结构的弹性特性，并使用平均刚度（VAS）法预测弹性。在本研究中评估的样品通过改变3D印刷结构内的纤维的体积分数（分别为4.04,8.08和10.1％）来产生。实验确定的弹性模量分别为4.04,8.08和10.1％，纤维体积分数分别为1767.2,6920.0和9001.2MPa。预测的弹性模量为4155.7,7380.0和8992.1 MPa。模型结果与4.04,8.08和10.1％纤维体积分数的实验结果不同，分别为57.5,6.2和0.1％。预测模型允许纤维增强3D印刷部件的弹性性能。所提出的模型将允许设计者预测用于需要特定机械性能的功能部件的纤维增强3D印刷部件的弹性性能。

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1 简介

三维（3D）打印或快速成型（RP）是从计算机辅助设计（CAD）软件生成组件的制造过程。三维打印不是一项全新的技术，但开源，低成本的3D打印机的出现导致了这项技术的激增。研究人员和业余爱好者对3D部件的设计和制造非常受欢迎，因为它可以快速设计和制造复杂的部件。

3D印刷可以分为几类：熔融沉积建模（FDM），选择性激光熔化（SLM），立体光刻（STL）或层压对象制造（LOM）[1]。大多数低成本的桌面3D打印机利用FDM作为制造过程。FDM通过组装挤出的热塑性细丝的各层形成3D几何形状。FDM制造过程对于快速生产原型是有用的，在某些情况下可用于生产功能组件。然而，使用FDM印刷部件用于功能部件的缺点在于。FDM组分通过组合连续的熔融热塑性层的添加剂制造方法形成。由于该过程，可能发生组分层的分层，导致过早失效。此外，FDM印刷部件通常具有比相同热塑性塑料的注塑部件更低的弹性性能[2]。

几位作者评估了FDM 3D印刷部件的机械性能[3,4]。这些研究的主要焦点是传统的FDM印刷组件[3-5]。这些研究已经评估了商业FDM 3D打印机[3-5]以及低成本的桌面3D打印机[2]。目前，新型热塑性材料正在上市; 这些包括具有嵌入金属颗粒或用短碳纤维增强的热塑性长丝[6,7]。另外，一种新的3D打印机已经成为商业上可行的，通过连续的玻璃纤维，凯夫拉纤维或碳纤维丝（MarkForge的MarkOne）强化3D印刷部件。这款新型3D打印机MarkForged的MarkOne旨在生产比传统FDM印刷部件更强大的功能性3D打印件。MarkOne 3D打印机通过嵌入符合组件几何形状的同心圆纤圈来加强FDM打印件。具体来说，这些新的FDM印刷方法的目的是增加3D印刷部件的强度，使得这些部件可以用于功能性产品，而不是生产非功能尺度模型。目前，文献中尚未广泛研究连续纤维增强3D印刷部件。Mori等人使用基于RepRap的3D打印机进行连续碳纤维增强的使用; 然而，这项研究没有评估或确定碳纤维增强3D印刷组件的弹性性能[8]。了解纤维增强3D印刷部件的拉伸性能是必要的，以确保这些部件满足他们所需的设计规范。

为了确定连续纤维增强的FDM印刷部件是否可用于功能部件，需要确定机械性能。作为基本的第一步，本研究的第一个目标是通过执行常规拉伸试验来评估使用MarkOne 3D打印机生产的连续纤维增强3D印刷组件的拉伸性能。本研究的第二个目标是开发一种方法，使设计人员可以预测连续纤维FDM印刷部件的弹性常数。传统的复合材料建模技术，例如经典层压板理论（CLPT）或体积平均法[3,5,9-12]可以应用于这些材料，以便预测其机械性能。

基于上述复合材料建模框架，将介绍一种用于预测纤维增强3D印刷部件拉伸弹性的数学模型。本研究的结果旨在为设计人员提供一种确定纤维增强3D印刷部件机械性能的方法。所提出的数学模型将减少对多次设计迭代的需要，以便产生功能性3D打印组件。

2 方法

2.1 机械试验

使用MarkOne桌面3D打印机（MarkOne，MarkForged，Somerville，MA）制造用于机械测试的样品。样品几何是根据ASTM D638-14（ASTM D638-14塑料拉伸性能的标准测试方法）使用I型几何[13]创建的。在本研究中使用的几何形状和临界尺寸如图1所示。使用计算机辅助设计（CAD）软件包（SolidWorks 2015 SP4.0，Dassault Systems，Waltham，MA）创建测试样本几何。样本几何被导出为立体光刻文件（STL），并加载到3D打印机切片软件包（Eiger 1.2，MarkForged，Somerville，MA）中。需要Eiger软件包来控制纤维增强件的放置，因此不使用其他开源3D打印软件。所有样品均用Kevlar纤维增强材料（Kevlar Reinforcement，MarkForged，Somerville，MA）的尼龙丝（尼龙，MarkForged，Somerville，MA）印刷。

图1.测试3D打印件的拉伸试验样品几何。几何根据ASTM D638-14规定。

用于制造试样的印刷参数总结在表1中。MarkOne 3D打印机使用连续的凯夫拉尔，碳纤维或玻璃纤维增强印刷结构。对于这项研究，使用凯夫拉尔纤维来加强试样。Kevlar因为研究小组以前的经验[14-17]而被选中。三维印刷样品用同心纤维环增强。 对于该几何，可能的环的数量范围从无（纯聚合物）到5个环; 限制因素是薄13毫米（WN）颈部区域。改变同心纤维环的数量以量化同心环对3D印刷试样的机械性能的影响。样品印有5,4,2和没有同心纤维环。选择本研究中使用的同心环的数量来表征在可能的纤维增强值的光谱上纤维增强对3D印刷样品的影响。用Kevlar纱线加固试样如图2所示。

表一 测试样本打印参数。

图2.试样的同心环加固 5R - 五个同心凯夫拉纤维环 4R - 四个同心凯夫拉环 2R - 两个同心的凯夫拉尔环 0R - 没有凯夫拉尔加固。

2.1.1 样品的尺寸测量

在进行机械测试之前，测量了Kevlar加强的3D印刷样品，以评估MarkOne 3D打印机的尺寸精度。端部突片（W），宽度（WN）和厚度（T）的宽度如图1所示。 1，测量; 后者三个使用千分尺（日本川崎0-25plusmn;0.01mm Mitutoyo 102-0701）。对于每个测试样本维度（W，WN和T），记录了五个测量。

2.1.2 测试参数

通过进行拉伸试验评估纤维增强的3D印刷样品。用于评估3D打印样品的测试设置如图3所示。使用具有100KN（22Kip）称重传感器的MTS拉伸测试框架（MTS 810材料测试系统，MTS，Eden Prairie，USA）向测试样品施加载荷。使用25.4mm（100）标准长度引伸计（MTS 634.12E-24，MTS，Eden Prairie，USA）测量试样的应变。以0.5mm / min的速率加载样品，并以20Hz的速率收集来自称重传感器和伸长计的数据。

图3.机械测试设置，以评估Kevlar加强3D印刷样品的拉伸性能。

2.2 光学显微镜

使用光学显微镜检查本研究中使用的测试样品。 进行光学显微镜以获得3D印刷样品的内部结构的见解，并检查这些样品的失效机理。使用冷固化环氧树脂（Cold Cure，System Three Resins，Inc.，Auburn，WA，USA）在100个直径的样品杯（Buehler Canada，Whitby，ON，Canada）中安装样品。树脂和固化剂根据制造商的规格以2：1的比例混合，并倒在纤维增强3D印刷部件的样品部分上。使树脂在室温下固化至少12小时。

固化后，然后使用4步法制备样品以准备样品进行成像。首先，使用320粒度的SiC纸将样品研磨至平面，并使用600微米的SiC纸除去大的划痕。然后将样品用抛光布上的金刚石悬浮液抛光，从9微米单晶金刚石悬浮液开始，随后是3微米单晶金刚石悬浮液。在抛光布上用0.05微米氧化铝悬浮液进行最终抛光。 所有消耗品均由Buehler Canada提供。 样品抛光程序在表2中概述。

然后使用安装有可变放大镜（Infiniprobe MS，Infinity USA，Boulder，CO，USA）的高分辨率相机（Basler piA2400-17gm，Basler AG，Ahrensburg，DE）对样品进行成像。该特定图像组的放大倍数在2x和3x之间，因此在最终图像中像素宽度大约为1-2mu;m。

表2 成像样品准备概要。

2.3 弹性常数的预测

已经实现了新的体积平均方法，以便预测纤维增强3D印刷部件的弹性常数。使用的体积平均方法是基于体积平均刚度法的纤维增强3D印刷部件的有效弹性常数的分析模型[10]。纤维增强的3D印刷部件由几个不同的区域组成，每个区域都有自己的弹性常数。分析模型允许考虑每个这些区域的贡献，以便预测纤维增强3D印刷样品的有效弹性模量。分析模型已经被开发为一个定制的MATLAB脚本（MATLAB 2015a，MathWorks，Natick，MA），以便快速计算3D打印结构的机械性能。为了预测Kevlarreinforced 3D印刷样品的机械性能，假定尼龙丝和Kevlar加强筋的机械性能是制造商没有规定的具体机械性能。尼龙长丝和凯夫拉尔纤维的假定机械性能分别总结在表3和表4中[18,19]。

表3 假设尼龙长丝的弹性常数[19]

表4 凯夫拉尔29纱的假设弹性常数[18]

2.3.1 内部微结构

纤维增强3D印刷试样的内部结构示意图如图4所示。可以看出，测试样品中存在四个不同的区域：壳层形成测试样品的外部结构，其中挤出的尼龙沿着试样的纵轴取向; 固体层由尼龙的封闭层和从纵向轴线的plusmn;45之间的交替取向组成; 填充层由尼龙稀疏层组成。类似于固体层，填充层从纵向轴线交替取向在plusmn;45之间; 以及由凯夫拉尔纤维的同心环组成的凯夫拉尔层。凯夫拉尔纤维沿着测试样品的纵轴取向。 由于Kevlar纱线不填充测试样品的整个横截面，Kevlar层也由填充区域组成。

图4 纤维增强3D印刷试样的结构示意图。 左图：3D打印测试样本的顶视图。 右图：试样的横截面图（A-A部分）。 固体区域表示为实心白色矩形，填充区域具有阴影图案，凯夫拉尔增强区域表示为黄色。

如图5所示出了单个试样的内部结构的截面图像，可以看到填充和外壳区域。试样的顶视图也示于图6。这里，固体层的取向与试验片的纵轴成45°。 图4中的原理图同图5和图6中的图像将用于确定测试样品的几何形状和结构。

图 5 试样截面图像。 显示出了试样的壳，填充物和凯夫拉尔区域。

图6 测试样品的顶视图显示了固体层的取向。 固体层从纵向轴线定向45°。

从样品的几何形状确定试样的每个组分的体积分数。试样中各组分的尺寸总结在表5中。使用表5中总结的变量来计算每个分量的体积（以mm3计）。（1） - （7）。

表5 样本几何内部尺寸。

总样品体积（Vtensile）为：

地板容积（Vfloor）由下式给出：

天花板数量（Vceiling）由下式给出：

固体体积（Vsolid）被发现为：

填充量（Vinfill）由下式给出：

纤维体积（Vkevlar）被发现为：

纤维区填充量（VinfillFiber）mm3由下式给出：

使用方程式计算试样的每个部分的体积分数。（8） - （12）。 在使用以下地方找到地板（Vffloor）和天花板（Vfceiling）层的体积分数的地方：

固体（Vfsolid）和填充层（Vfinfill）的体积分数可以使用：

最后，使用以下方法发现凯夫拉纤维（Vfkevlar）的体积分数：

2.3.2 体积平均刚度法

纤维增强3D印刷样品的有效弹性常数将使用体积平均刚度法[9-12]来确定。体积平均法涉及三个主要步骤。首先，微机械模型用于确定FDM印刷部件的有效性能。其次，对固体和填充层应用坐标系变换。 第三，执行每个横截面区域的刚度矩阵的体积平均。

为了确定由Rodriguez等人开发的模型的固体，填充和壳体区域的微机械性质。 用于确定FDM组件的单向常数[5]。Rodriguez等人的模型 将FDM印刷部件作为塑料/空隙复合材料处理。使用表3所示的尼龙的弹性性质来确定壳，填充物和固体层的微机械性质。公式（13） - （17）用于确定FDM印刷部分的机械性能。在等式 （13） - （17）rho;1表示各部件的空隙密度。假定固体层的空隙密度为10％，而假设填充截面的空隙密度为90％。公式（13） - （17）表明试样的FDM印刷部分将以横向各向同性的方式表现。

一旦确定固体，填充物和壳体区域的微机械性质，就可以填充每个区域的顺应性矩阵。 横向各向同性材料的柔量矩阵如（18）所示。

试样的固体和填充区域使用旋转矩阵[T]进行变换，如式（19）。在该方程中，c表示余弦，s表示正弦，theta;表示实心和填充层的角度。对于所有固体和填充层，确定相对于全局样本坐标系的新刚度矩阵[Sxyz]。

通过确定试样中每个部分的体积分数以确定每

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