探索评估3D打印部件抗拉强度新方法

熟悉熔丝制造(FFF)3D打印的人都知道，零件通常在Z轴方向上最脆弱。通过了解增材制造逐层沉积过程的复杂性和表征层间强度，将帮助厂商确保3D打印部件的可靠性。而且，随着增材制造超越快速原型制造，人们更加重视功能部件的可重复性能。

然而，目前行业还没有为3D打印零件制定控制打印或评估过程的具体标准。本文讨论了当前Z轴方向拉伸测试的局限性，并解释了为什么层间剪切测试的新方法可以更准确地评估打印热塑性塑料的焊接强度。

一种测试FFF 3D打印部件剪切强度的新方法可以更好地评估焊接强度

如今，单轴拉伸测试是评估3D打印部件层间强度的常用方法。使用此评估方法，垂直打印试样，然后在测试过程中机械拉开以分离打印层。然而这里存在一种误解，即人们相信测试可以评估印刷层之间的焊接强度，从而得出零件性能和工艺条件之间的相关性或者聚合物在Z轴方向的性能。

然而3D打印机操作员需要清楚的是，打印试片几何形状和拉伸结果的较大可变性会导致出现这种情况。拉伸试样由夹具、量规和过渡区域组成，其中轮廓从宽变为窄。在过渡区域中，每个连续层都比前一层窄，这会在中间层产生凹口。这些凹口是测试期间应力集中的部位，可能导致过渡区域的材料过早失效。

上图显示了用于评估FFF打印部件的拉伸强度的两个主要3D打印方向

此外，随着试件轮廓变窄，每层时间的变化将影响试件不同部分的焊接强度，并提供不均匀的热量吸收，从而导致试件的非螺旋截面失效和拉伸结果不准确。

根据ASTM标准D638“塑料拉伸性能的标准测试方法”，试样应仅在几何形状的量规部分失效。Z轴试样不可接受的拉伸失效，再加上强度结果的大范围分散，由于零件性能不确定，可能会限制3D打印的使用。

根据ASTM标准D638，拉伸失效应仅发生在试样的量规部分（左）。试样过渡区的拉伸破坏是不可接受的

层间剪切试验

AON3D与加拿大国家研究委员会和多伦多都市大学合作发布了一种新方法，通过使用层间剪切测试而不是单轴测试来评估材料Z轴方向的特性。这项研究工作仍在进行中，目的是为3D打印热塑性塑料建立新的增材制造专用测试标准。

提出的方法基于ASTM标准D3846“增强塑料平面内剪切强度的标准试验方法”，该方法涉及使用压缩加载的凹口试件。使用一组优化的参数在AON M2打印机上进行ABS打印块。在显微镜下观察时，零件尺寸准确并显示出很少或没有可见的空隙。

从ABS打印的块用于层间剪切测试（左）。ABS样品横截面的光学显微镜显示几乎没有可见的空隙（右）

对此，研究团队开发了两种剪切评估试验方法来表征印刷ABS中的层间焊接强度。第一种方法包括ASTM D3846试样，其具有切口，然后以压缩方式加载以将打印层剪切开。第二种方法使用了ASTM标准的高度修改版本。它具有一个较小、无缺口的微型块，可以直接测量应变和测定剪切模量。

测试1和测试2实验均提供了测试样品之间5%或更低的强度变异系数，证明了该方法在Z轴拉伸测试中的可重复性。带凹口的D3846试样（测试1）受到来自测试夹具的适度干扰。小剪切试样（测试2）在测试期间没有表现出这种干扰，并提供了更准确的剪切强度评估，三批的平均变异系数为2.2%。

为什么平面内更好

与Z轴拉伸试验相比，层间剪切试验具有更好的实验精度，其优点是可以在多个珠子和层间施加均匀的剪切应力。垂直打印的试纸提供了对打印零件的整体行为的评估，这是特定于试纸几何形状的，不能外推以预测不同零件几何形状的性能。

开发了两个剪切评估测试来表征打印ABS的层间焊接强

另一方面，剪切测试可以将应力隔离到打印焊道的薄片部分，而最薄弱的平面通常是层间焊接区域，如预期失效。垂直打印的试纸提供了对打印零件的整体行为的评估，这是特定于试纸几何形状的，不能外推以预测不同零件几何形状的性能。

因此，平面内剪切测试提供了对Z轴机械强度更准确的评估。此外，打印块在Z轴方向上具有均匀的横截面，因此可以更清楚地研究逐层焊接的温度和时间依赖性。