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连续地纤维加强3d打印结构的抗拉强度的评估与预测
关键词： 3d打印 弹性性能 纤维 加强3d打印 机械性能
体积平均刚度 3D打印复合材料
摘要
3D打印是一个传统应用于制造成型的技术，商业桌面3D打印机在生产功能性3D打印设备方面已经变的可行，marked forged制造商生产的mark one 3D打印机打印出了由连续碳，玻璃纤维，凯夫拉纤维加强的结构，本研究的目的就是评价纤维增强3D打印结构的弹性性能和使用平均刚度方法预测弹性性能，在本次试验中的样本评估是通过改变在3D打印结构中的纤维的体积分数（分别为4.04%，8.08%，10.01%）对于纤维体积分数分别为4.04%，8.08%，10.01%的3D打印结构本实验测出的弹性模数分别为1767.2,6920.0和9001.2mpa，预测弹性模数分别为4155.7,7380.0和8992.1mpa。对于纤维体积分数分别为4.04%，8.08%，，预测模数结果不同与实验模数结果57.5%，6.2%，0.1%。预测模型证明纤维增强3D打印部分的弹性性能，现在的模型将允许设计者预测被用于要求特定机械性能的功能组件的纤维增强3D打印的弹性性能。
第一章介绍
三维（3D）打印或快速成型（RP）由计算机辅助设计（CAD）软件来生产组件的制造过程，三维打印并不是一种全新的技术但是确实一种开放资源到来的技术，低成本的的3D打印机已经导致了这项技术的激烈扩展。因为它允许快速设计和制造复杂组件，3D打印设计和制造的研究者和爱好者越来越喜欢3D打印这个过程。
3D打印可以分为几个类别：熔融沉积建模（FDM），选择性激光熔化（SLM），立体光刻（STL）或层叠对象制造（LOM）[1]。大多数低成本的桌面3D打印机使用FDM作为制造过程。FDM通过挤出热塑性长丝来集合单独的层面从而形成3D几何形状。FDM制造工艺对于快速生产原型是有用的，并且在一些情况下可用于生产功能组件。然而，将FDM印刷部件用于功能部件存在缺点。 FDM部件通过将熔融热塑性塑料的连续层组合的添加制造工艺形成。 由于该过程，可能发生部件层的分层，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。
几位作者评估了 FDM 3D打印部件的机械性能[3,4]。这些研究的主要焦点已经在传统的FDM印刷组件[3-5]。这些研究评估了商用FDM 3D打印机[3-5]以及低成本台式3D打印机[2]。目前，新的热塑性材料正在变得可用;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]。此外，一个新的3D打印机已经商业化，加强了3D打印部件与连续玻璃纤维，凯夫拉尔纤维或碳纤维丝（MarkForged的MarkOne）。 这个新的3D打印机，MarkForged的MarkOne，旨在生产功能性3D打印部件方面其比常规FDM印刷部件更强。MarkOne 3D打印机通过嵌入符合组件几何形状的同心环纤维来加强FDM印刷零件。具体来说，这些新的FDM印刷方法的目的是提高3D打印部件的强度，使这些组件可用于功能产品，而不是生产非功能的比例模型。 目前，连续纤维增强3D打印部件在文献中尚未广泛研究。使用连续碳纤维增强是Mori et al做的。 使用基于RepRap的3D打印机; 然而，这项研究没有评估或确定碳纤维增强3D打印组件的弹性性能[8]。 了解纤维增强3D打印部件的拉伸性能是必要的，以确保这些部件满足其所需的设计规格。
为了确定连续纤维增强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，本研究的第一个目的是评估使用MarkOne 3D打印机通过执行常规拉伸测试生产的连续纤维增强3D打印部件的拉伸性能。 本研究的第二个目的是开发一种方法，允许设计者预测连续纤维FDM印刷部件的弹性常数。 传统的复合材料建模技术，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来预测其机械性能。基于上述复合材料将建立一种用于预测纤维增强3D打印部件的拉伸弹性性质的数学模型。 本研究的结果旨在为设计者提供一种确定纤维增强3D打印部件的机械性能的方法。 所提出的数学模型将减少对多个设计迭代的需要，以便产生功能性3D打印部件。
第二章 方法
2.1机械性能测试
使用MarkOne桌面3D打印机（MarkOne，MarkForged，Somerville，MA）制造用于机械测试的样品。 根据ASTM D638-14（ASTM D638-14 Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics）使用I型几何形状[13]创建样品几何形状。 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）创建测试样本几何形状。 将样品几何形状作为立体光刻文件（STL）输出并加载到3D打印机切片软件包（Eiger 1.2，MarkForged，Somerville，MA）中。 Eiger软件包需要控制纤维增强的位置，因此其他开源3D打印软件不曾用过。所有样品用具有Kevlar纤维增强材料（Kevlar Reinforcement，MarkForged，Somerville，MA）的尼龙细丝（Nylon， MarkForged，Somerville，MA）印刷。
图一3D打印部件的拉伸试验的试样几何形状（根据ASTM D638-14规定）。
用于制造测试样品的印刷参数总结在表1中.MarkOne 3D打印机使用连续的Kevlar，碳或玻璃纤维增强印刷结构。对于这项研究，凯夫拉纤维用于增强测试样品。 Kevlar被选择由于研究组以前的经验与这种材料[14-17]。三维印刷样品用同心纤维环增强。对于这种几何形状，可能的环的数目为无（纯聚合物）至5个环;限制因素是薄的13mm（WN）颈部区域。改变同心纤维环的数量以定量同心环对3D打印测试样品的机械性能的影响。样品用5,4,2和没有同心纤维环印刷。选择在本研究中使用的同心环的数量，以表征在可能的纤维增强值的光谱上的纤维增强对3D打印样品的影响。用Kevlar纱线对试样的增强如图2所示
2.1.1样品尺寸测量
在进行机械测试之前，Kevlar增强3D测量印刷样品以评价MarkOne 3D打印机的尺寸精度。 端部接头处的宽度（W），截面宽度（WN）和厚度（T），如图1所示。后三个使用千分尺（0-25plusmn;0.01mm Mitutoyo 102-0701，Kawasaki，Japan）。 对于每个测试样品尺寸（W，WN和T），记录五个测量值。
2.1.2测试参数
通过评价纤维增强的3D打印试样进行拉伸试验。 用于评估3D打印样品的测试设置显示在图3中。 使用具有100KN（22Kip）负载传感器的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）标距长度伸长计（MTS 634.12E-24，MTS，Eden Prairie，USA）测量试验样品的应变。 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2.试样同心环加固 5R - 五个同心凯夫拉纤维环 4R - 四个同心凯夫拉环。 2R - 两个同心凯夫拉环 0R –没有凯夫拉纤维加强。
2.2光学显微镜
使用光学显微镜检查用于本研究的测试样品。 进行光学显微镜以获得对3D打印样品的内部结构的了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。 根据制造商的规格，将树脂和硬化剂以2:1的比例混合，并倒在纤维增强的3D印刷部件的样品部分上。 使树脂在室温下固化最少12小时。
图三机械测试设置来评估凯夫拉纤维增强3D打印样本的拉伸性能
表1测试样本打印参数
固化后，然后使用一个4步法准备好成像的样品。 ·首先，使用320粒度的SiC纸将样品研磨至平面，并使用600粒度的SiC纸除去大的刮痕。 然后使用金刚石悬浮液在抛光布上抛光样品，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。用0.05微米氧化铝悬浮液在抛光布上进行最终抛光。 所有消耗品均由Buehler Canada提供。 样品抛光程序概述在表2中。
然后使用一个高分辨率相机对样品成像（Basler piA2400-17gm，Basler AG，Ahrensburg，DE）一个可变放大率透镜（Infiniprobe MS，Infinity USA，Boulder，CO，USA）。 这个特定集合的放大图像在2倍和3倍之间因此在最终图像中的像素宽度约为1-2微米。
表2：成像样品制备概述
2.3弹性常数预测
一种新的体积平均方法已经在中实施以预测纤维增强3D打印部件的弹性常数。 所使用的体积平均方法是基于体积平均刚度法来预测纤维增强3D打印部件的有效弹性常数的分析模型[10]。 纤维增强3D打印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。 分析模型允许考虑这些区域中的每一个的贡献，以便预测纤维增强的3D打印样本的有效弹性模量。 分析模型已被开发为一个自定义MATLAB脚本（MATLAB 2015a，MathWorks，Natick，MA），以允许快速计算3D打印结构的机械性能。
为了预测Kevlar增强3D打印样品的机械性能，假定尼龙长丝和凯夫拉尔增强的机械性能，因为制造商没有规定具体的机械性能。 尼龙长丝和凯夫拉纤维的假定机械性能分别总结在表3和4中[18,19]。
2.3.1内部微观结构
纤维增强3D的内部结构印刷样品示意图如图4所示。 可以看出，在测试样品内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测试样品的纵向轴线取向; 固体层，其由封闭的尼龙层组成，并且交替取向在plusmn;45° 从纵轴; 填充层由稀疏的尼龙层组成。 类似于实心层，填充层交替取向在plusmn;45° 从纵轴;和由凯夫拉纤维的同心环组成的凯夫拉层。凯夫拉尔纤维沿着测试样品的纵向轴线取向。 Kevlar层也由填充区域组成，因为Kevlar纱线不填充测试样品的整个横截面。
一个显示内部结构的横截面图像单个试样如图5所示，其中可以看到填充和外壳区域。 试样的俯视图也显示在图6中。 这里，固体层的取向为从试样的纵轴来看的45度方向。 图4中的示意图和图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。
表三：假设弹性常数尼龙丝[19]。
表4：假设29纱线Kevlar的弹性常数[18]
图4纤维增强3D打印测试样品的结构示意图。左侧：3D打印测试样品的顶视图。 右：试样的横截面视图（A-A）。 实心区域表示为实心白色矩形，填充区域具有阴影图案，凯夫拉尔加强区域为表示为黄色。
图5：试样的横截面图像。 显示了试样的壳，填充和凯夫拉尔区域
图六：显示固体层取向的测试样品的俯视图。 固体层定向为纵轴45度方向。
表5样品几何内部尺寸。
试样的每种组分的体积分数 由样品的几何形状确定。 测试样品内各个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组分的体积（以mm立方计），使用方程（1）-（7）。
使用公式计算试样的每个部分的体积分数。 （8） - （12）。 在使用下式找到地板（Vffloor）和天花板（Vfceiling）层的体积分数
固体（Vfsolid）和填充层（Vfinfill）的体积分数计算
最后，使用Kevlar Fibres（Vfkevlar）的体积分数计算
2.3.2体积平均刚度法
纤维增强3D打印样品的有效弹性常数将使用体积平均刚度法确定[9-12]。 体积平均法包括三个主要步骤。 首先，微机械模型用于确定FDM印刷部件的有效性能。 其次，坐标系变换应用于实心层和填充层。 第三，执行每个横截面区域的刚度矩阵的体积平均。
为了确定固体，填充和壳区域的微机械性质，由Rodriguez等人开发的模型 用于确定FDM组件的单向常数[5]。 Rodriguez等人的模型 将FDM印刷部件视为塑料/空隙复合材料。使用表3中所示的尼龙的弹性性质来测定壳，填料和固体层的微机械性能。 等式 （13） - （17）用于确定FDM印刷部分的机械性能。 在等式 （13） - （17）q1表示各组分中的空隙密度。 固体层的空隙密度假定为10％，而填充部分假定具有90％的空隙密度。 等式 （13） - （17）证明试样的FDM印刷部分将表现为横向各向同性的方式。
一旦确定了固体，填充和壳区域的微机械性质，就可以填充每个区域的柔量矩阵。 横向各向同性材料的柔度矩阵如（18）所示。
使用旋转矩阵[T]来变换测试样本的实心和填充区域，如等式 （19）。 在该方程中，c表示余弦，s表示正弦，h是固体层和填充层的角度。 对于所有固体和填充层确定相对于全局试样坐标系的新刚度矩阵[S xyz]
刚度平均通过确定试样中每个部分的体积分数来进行，以确定每个部分对总体机械性能的贡献。 用于预测试样的机械性能的刚度平均方程如（20）
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