3D打印PLA桿件的拉壓力學性能實驗研究

王富偉，朱書桓，韋明帝，羅天身

（北方民族大學機電工程學院，寧夏 銀川 750021）

3D 打印技術是當前最受關注的先進制造技術之一，被譽為“第三次工業(yè)革命”的重要標志。當前3D 打印技術已被廣泛應用于工業(yè)生產和日常生活的各個方面，如航空航天、生物醫(yī)療、汽車工業(yè)、教育、文藝創(chuàng)作及家庭娛樂等，人們的工作和生活方式正因3D 打印技術而發(fā)生改變。

熔融沉積技術是當前主流的桌面級3D 打印技術，由于其操作便捷和原理簡單而備受推崇。然而，熔融沉積3D 打印PLA 材料存在強度不足的問題[1]，多數情況下只能用于觀賞和功能驗證。關于3D 打印構件的強度問題，學者們開展了較多的研究，如姜鑫等通過壓縮實驗研究了3D 打印碳纖維增強陶瓷基復合材料力學性能[2]，王鶴通過拉伸、壓縮、彎曲實驗研究了短碳纖維增強3D 打印用光敏樹脂及力學性能[3]。

本文通過實驗方法，研究特定填充率和填充形式時3D打印PLA桿件的材料力學性能，分析桿件在拉伸和壓縮情況下其載荷-變形、應力應變變化情況，得出3D 打印桿件的拉伸、壓縮強度極限。

一、實驗設計

（一）3D 打印試件制備

在Pro/E 三維建模軟件中設計拉伸和壓縮試件模型，導出為stl 格式，導入切片軟件，進行切片處理及打印屬性設置，利用桌面3D 打印機進行模型打印，如圖1 所示。

圖1 拉壓桿件的3D 打印過程

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

（二）拉伸壓縮實驗過程

使用力學萬能試驗機對上述試件進行拉伸和壓縮實驗。其中，拉伸實驗加載速率為1mm/min，當試件斷裂時加載結束；壓縮實驗加載速率為2mm/min，當時間出現較大位錯變形時加載結束。拉伸和壓縮實驗結果如圖2、3 所示。

圖2 拉伸實驗

圖3 壓縮實驗

拉伸實驗過程中，實時在電腦上記錄加載載荷與桿件伸長量，并測量特定間隔時間時桿的直徑；壓縮實驗中，實時記錄載荷與壓縮變形量，同時用游標卡尺實時測量桿件的直徑。

二、結果與討論

（一）桿件拉伸

圖4 所示為3D 打印桿件在拉伸時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，載荷呈現出階梯式增長，即加載一段時間，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)律也在應力應變曲線中存在，如圖5 所示。這說明3D打印PLA桿件在拉伸過程中存在蠕變現象，即應力（或載荷）不變而應變（或變形），從圖中可知，蠕變現象存在于整個彈性變形階段，當應力達到3.4MPa 時，桿件發(fā)生塑性變形，當應力達到4.5MPa 時，桿件發(fā)生頸縮，并隨之斷裂。

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

（二）桿件壓縮

圖6 所示為圓桿壓縮時的載荷變形曲線，當載荷達到2411N 時，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。說明當載荷小于2411N 時的變形以彈性變形為主，而當載荷超過該值，桿件發(fā)生變形均為塑形變形。

圖7 為壓縮時的應力-應變曲線，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，其應力值為30.7MPa，該值即為構件的強度極限。而在發(fā)生完全塑形變形之前，應力經過了一段時間的緩慢上升，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 拉伸桿件應力-應變曲線

圖6 桿件壓縮載荷-變形曲線

圖7 桿件壓縮應力-應變曲線

三、結論

本文以填充率為15%、方形填充形式為例，通過實驗方法研究了3D打印PLA桿件的拉伸和壓縮力學性能，經過分析與討論，得出以下結論：

（1）桿件在拉伸時存在蠕變現象，且蠕變存在于整個拉伸變形過程；

（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，說明3D 桿件承受壓載荷的能力遠高于承受拉載荷的能力。