3D打印PLA杆件的拉压力学性能实验研究

王富伟，朱书桓，韦明帝，罗天身

（北方民族大学机电工程学院，宁夏 银川 750021）

3D 打印技术是当前最受关注的先进制造技术之一，被誉为“第三次工业革命”的重要标志。当前3D 打印技术已被广泛应用于工业生产和日常生活的各个方面，如航空航天、生物医疗、汽车工业、教育、文艺创作及家庭娱乐等，人们的工作和生活方式正因3D 打印技术而发生改变。

熔融沉积技术是当前主流的桌面级3D 打印技术，由于其操作便捷和原理简单而备受推崇。然而，熔融沉积3D 打印PLA 材料存在强度不足的问题[1]，多数情况下只能用于观赏和功能验证。关于3D 打印构件的强度问题，学者们开展了较多的研究，如姜鑫等通过压缩实验研究了3D 打印碳纤维增强陶瓷基复合材料力学性能[2]，王鹤通过拉伸、压缩、弯曲实验研究了短碳纤维增强3D 打印用光敏树脂及力学性能[3]。

本文通过实验方法，研究特定填充率和填充形式时3D打印PLA杆件的材料力学性能，分析杆件在拉伸和压缩情况下其载荷-变形、应力应变变化情况，得出3D 打印杆件的拉伸、压缩强度极限。

一、实验设计

（一）3D 打印试件制备

在Pro/E 三维建模软件中设计拉伸和压缩试件模型，导出为stl 格式，导入切片软件，进行切片处理及打印属性设置，利用桌面3D 打印机进行模型打印，如图1 所示。

图1 拉压杆件的3D 打印过程

试件填充率均为15%，填充形式为方形网格填充；拉伸试件直径为10mm，标距长度分别为70mm、80mm 和90mm；压缩试件的直径为15mm，长度为25mm。

（二）拉伸压缩实验过程

使用力学万能试验机对上述试件进行拉伸和压缩实验。其中，拉伸实验加载速率为1mm/min，当试件断裂时加载结束；压缩实验加载速率为2mm/min，当时间出现较大位错变形时加载结束。拉伸和压缩实验结果如图2、3 所示。

图2 拉伸实验

图3 压缩实验

拉伸实验过程中，实时在电脑上记录加载载荷与杆件伸长量，并测量特定间隔时间时杆的直径；压缩实验中，实时记录载荷与压缩变形量，同时用游标卡尺实时测量杆件的直径。

二、结果与讨论

（一）杆件拉伸

图4 所示为3D 打印杆件在拉伸时的载荷与变形量变化曲线，从图中可看出，随着变形量的增加，载荷呈现出阶梯式增长，即加载一段时间，变形增加而载荷不变，接着载荷又随变形量继续增加，如此循环直至杆件断裂。

相同规律也在应力应变曲线中存在，如图5 所示。这说明3D打印PLA杆件在拉伸过程中存在蠕变现象，即应力（或载荷）不变而应变（或变形），从图中可知，蠕变现象存在于整个弹性变形阶段，当应力达到3.4MPa 时，杆件发生塑性变形，当应力达到4.5MPa 时，杆件发生颈缩，并随之断裂。

由此可判断出，当填充率为15%，直径为10mm，有效拉伸长度为80 和90mm 时，杆件的拉伸弹性极限约为3.4MPa，其抗拉极限约为4.5MPa。根据σ=Eε，可知其弹性模量约为0.152GPa。

（二）杆件压缩

图6 所示为圆杆压缩时的载荷变形曲线，当载荷达到2411N 时，杆件变形快速增加，而载荷先快速减小，接着缓慢减小，最终逐渐趋于平缓。说明当载荷小于2411N 时的变形以弹性变形为主，而当载荷超过该值，杆件发生变形均为塑形变形。

图7 为压缩时的应力-应变曲线，该曲线变化与载荷-变形曲线变化规律基本一致，载荷为2411N 时，其应力值为30.7MPa，该值即为构件的强度极限。而在发生完全塑形变形之前，应力经过了一段时间的缓慢上升，在这段缓慢上升期，杆件既存在弹性变形，又发生了塑性变形。由此可判定，压缩弹性极限应小于30.7MPa，约为21.3MPa。

图4 杆件拉伸载荷-变形曲线

图5 拉伸杆件应力-应变曲线

图6 杆件压缩载荷-变形曲线

图7 杆件压缩应力-应变曲线

三、结论

本文以填充率为15%、方形填充形式为例，通过实验方法研究了3D打印PLA杆件的拉伸和压缩力学性能，经过分析与讨论，得出以下结论：

（1）杆件在拉伸时存在蠕变现象，且蠕变存在于整个拉伸变形过程；

（2）杆件的拉伸弹性极限约为3.4MPa，抗拉极限约为4.5MPa；

（3）圆杆压缩时的弹性极限约为21.3MPa，抗压极限约为30.7MPa；

（4）3D 杆件的抗压极限约为抗拉极限的7 倍，说明3D 杆件承受压载荷的能力远高于承受拉载荷的能力。