3D打印材料PA-CF強度研究

摘 ?要：本文對PLA、ABS、PA6-CF和PA12-CF等3D打印材料進行對比試驗，對材料的使用性能對比分析。試驗證明，干燥的尼龍和碳纖維的共混物具有拉伸強度高和缺口沖擊強度高等特點，相對于ABS和PLA具有明顯優(yōu)勢;沒有經(jīng)過干燥處理的尼龍和碳纖維共混物拉伸強度和缺口沖擊強度相對于ABS和PLA沒有優(yōu)勢。對熔融堆積（FDM）的3D打印機材料選擇和打印參數(shù)設(shè)定具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：3D打印材料PA-CF;拉伸強度; 缺口沖擊強度

中圖分類號：TH145.9 ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：1672-4437（2021）03-0063-03

3D打印技術(shù)以計算機數(shù)字模型為基礎(chǔ)，利用橫截面切片將數(shù)字模型切成很多層片，并通過3D打印設(shè)備，分層加工和迭加成形得到固態(tài)形體[1]。3D打印技術(shù)按照成型原理可以分為熔融堆積（FDM）、光固化（sla）、激光燒結(jié)（sls）、激光熔融（slm）、電子束熔融（ebm）、疊層實體制造（lom）、激光近凈成型（lens）、聚合物噴射成型（ployjet）、三維噴?。?dp）等。熔融堆積（FDM）3D打印具有設(shè)備投資少、使用成本低、操作簡單、設(shè)備故障率低、成品后處理方便等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣的3D打印技術(shù)[2]。材料的拉伸強度和缺口沖擊強度是熔融堆積（FDM）3D打印的重要指標(biāo)，在保證打印成果的同時，如何選材、如何提高材料的強度至關(guān)重要。

1 3D打印材料

熔融堆積（FDM）3D打印機使用絲狀耗材，常用材料有PLA和ABS兩種。隨著用戶對個性化產(chǎn)品需求的不斷增加，用戶對3D打印材料的多樣性需求更加強烈，尤其是對3D打印零件強度方面提出了更高的要求。在需要更高強度的場景下，可考慮采用PA-CF材料。PA俗稱尼龍，其具有良好的力學(xué)性能、耐熱性、耐磨損性、耐化學(xué)藥品性和自潤滑性，且摩擦系數(shù)低，有一定的阻燃性，易于加工，適于用玻璃纖維和其它填料填充增強改性。CF是增強改性聚合物基復(fù)合材料，俗稱碳纖維，其以密度小、耐腐蝕、耐高溫、導(dǎo)電和良好耐磨性等優(yōu)異性能被廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)輕量化裝備、導(dǎo)電材料、高強度和抗撞擊零部件等領(lǐng)域[3]。利用CF增強PA，得到新性能材料。尼龍和碳纖維共混材料熱擠成絲狀PA-CF，碳纖維占2%。按照尼龍材料的種類不同，制成PA6-CF和PA12-CF兩種。

2 試驗材料與方法

2.1試驗材料

試驗選用某知名國產(chǎn)品牌3D打印材料，包括PLA、ABS、PA6-CF、PA12-CF四種，直徑均為1.75mm。

2.2試驗設(shè)備

試件使用通用3D打印機制備（主要參數(shù)如表1所示）。其他實驗設(shè)備有：萬能拉力機、KDⅢ型材料試驗機、MZ-2052簡支梁沖擊試驗機。

2.3試件制備

使用3D打印機按照圖1和圖2分別建模并3D打印試驗樣條。用于拉伸試驗的樣條如圖1所示，使用萬能拉力機按照GB/T 1040-2018進行試驗，拉伸速率為1mm/min;用于沖擊試驗的樣條如圖2所示，使用簡支梁沖擊試驗機按照GB/T 1043-2018進行試驗，試驗樣條缺口類型為A型缺口。試驗在室溫24℃左右進行。

制備樣條參數(shù)見表2，每個樣條橫臥打印和立式打印各5個，用于試驗取平均值。

2.4試件檢查

檢查3D打印制備的試驗樣條，保證試件樣條光滑、均勻、無毛刺、無沙眼、無氣泡、無雜質(zhì)等質(zhì)量缺陷，以免影響試驗數(shù)據(jù)真實性。

2.4.1使用角尺，檢查試驗樣條中間5×5mm部分相鄰表面的垂直度，合格的試件樣條相鄰表面均嚴格垂直。

2.4.2使用刀尺檢查試件樣條的平面度，合格的試件樣條刀尺不透光，表面無劃痕、空洞、凹陷及凸包。

3試驗結(jié)果與分析

3.1抗拉性能分析

將試件裝夾在萬能拉力機上，按照GB/T 1040-2018規(guī)定的試驗方法和計算方法，將試件拉至斷裂，計算每種試件的拉伸強度和拉伸屈服應(yīng)力。其中橫臥3D打印試件計算X-Y方向的拉伸強度和拉伸屈服應(yīng)力，體現(xiàn)材料的抗拉性能。立式3D打印試件計算Z方向的拉伸強度和拉伸屈服應(yīng)力，體現(xiàn)材料3D打印各層間的粘結(jié)能力。記錄各強度如圖3所示。

3.1.1拉伸強度和屈服應(yīng)力分析

（1）在填充密度為100%的試件中，X-Y方向拉伸強度最大的是經(jīng)過干燥處理的PA6-CF試件，拉伸強度是85MPa;最小的是ABS試件和沒有經(jīng)過干燥處理的PA12-CF試件，拉伸強度是35MPa。

（2）在填充密度為60%的試件中，X-Y方向的拉伸強度最大的是經(jīng)過干燥處理的PA6-CF試件，拉伸強度是68MPa;最小的是ABS試件，拉伸強度是21MPa。

（3）在相同填充密度下，經(jīng)過干燥處理的PA6-CF試件拉伸強度遠大于沒有經(jīng)過干燥處理的PA6-CF試件。沒有經(jīng)過干燥處理的PA6-CF試件拉伸強度小于PLA試件。

（4）以經(jīng)過干燥處理的PA6-CF試件為例，填充密度60%相對填充密度100%，打印時間和耗材質(zhì)量均節(jié)省30%左右，X-Y方向的拉伸強度損失20%左右。

（5）在相同填充密度下，Z向拉伸強度各材料相差不大，PA-CF的最大，PLA最小。相同材料下，填充密度降低，Z向拉伸強度降低更大。

3.1.2對比分析

（1）在相同填充密度下，經(jīng)過干燥處理的PA6-CF試件抗拉強度最大，經(jīng)過干燥處理的PA12-CF試件抗拉強度次之，均明顯大于ABS和PLA試件。而沒有經(jīng)過干燥處理的PA-CF試件抗拉強度相對于ABS和PLA試件沒有優(yōu)勢。這說明經(jīng)過干燥處理的PA-CF材料3D打印件，具有很好的抗拉性能。

（2）相同材料情況下，填充密度越低，拉伸強度越低。

（3）Z方向拉伸強度反應(yīng)的是FDM原理3D打印件層間粘結(jié)力，這和材料、打印溫度、冷卻狀態(tài)、層間間隙都有關(guān)系，各材料的粘結(jié)力幾乎相等。

3.2沖擊性能分析

將缺口試驗材料安裝在簡支梁沖擊試驗機上，按照GB/T 1043-2018規(guī)定的試驗方法和計算方法，測試各試件的缺口沖擊強度，橫臥3D打印試件計算X-Y方向缺口沖擊強度，立式3D打印試件計算Z方向缺口沖擊強度。記錄各強度如圖4所示。

由圖4可以看出：

（1）在填充密度為100%的試件中，X-Y方向沖擊強度最大的是經(jīng)過干燥處理的PA6-CF試件，沖擊強度是18.67 KJ/M2;沖擊強度最小的是PLA試件。

（2）在相同填充密度下，經(jīng)過干燥處理的PA6-CF試件X-Y方向沖擊強度遠大于ABS和PLA試件;經(jīng)過干燥處理的PA12-CF試件X-Y方向沖擊強度和ABS基本相同。

（3）沒有經(jīng)過干燥處理的PA-CF試件，強度略有下降，但是對于PLA試件仍然有優(yōu)勢。

（4）相同材料情況下，填充密度越低沖擊強度越低。填充密度60%相對填充密度100%，經(jīng)過干燥處理的PA12-CF試件沖擊強度損失16%，損失最小;PLA試件沖擊強度損失60%，損失最大。

（5）各試件的Z方向缺口沖擊強度基本相同，這說明FDM原理3D打印機各種材料層間粘結(jié)力幾乎相等。

4結(jié)論

研究結(jié)果表明：

（1）通過干燥處理的PA6-CF試件，其X-Y方向抗拉強度和缺口沖擊強度最大，均明顯大于ABS和PLA試件，在3D打印零件需要高強度的場景時使用。

（2）沒有經(jīng)過干燥處理的PA-CF試件，其X-Y方向抗拉強度和缺口沖擊強度相對ABS和PLA試件沒有優(yōu)勢，考慮到材料成本、打印過程能耗成本、打印機的磨損成本和打印效率等，不建議使用沒有經(jīng)過干燥處理的PA-CF材料。

（3）PA-CF試件Z方向抗拉強度和缺口沖擊強度都不大，相對于ABS和PLA試件優(yōu)勢不明顯，所以PA-CF材料在3D打印時應(yīng)合理擺放模型，讓受力方向在X-Y平面，盡量避免層間方向受力，發(fā)揮材料的優(yōu)勢。

（4）各材料填充密度越低強度越低，經(jīng)過干燥處理的PA-CF試件，強度損失小于打印時間和耗材質(zhì)量的降低，在滿足強度的情況下，選擇更低的填充密度，3D打印的經(jīng)濟性更高。

參考文獻：

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[2]馬曉坤，王瑞，趙金德，等.3D打印多種形貌CF/ABS復(fù)合材料扳手[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報，2021，38（01）：1-3.

[3]魏立東，徐藝，林潤雄，等.ABS增韌PC/CF復(fù)合材料加工流變行為與力學(xué)性能[J].中國塑料，2011，25（11）：16-21.