《Materials Advances》：Strain rate sensitivity response of acrylonitrile styrene acrylate in material extrusion additive manufacturing: a coherent thermomechanical interpretationOpen Access
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结构零件的重要特性之一是其耐久性。丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯（ASA）是材料挤出（MEX）增材制造（AM）系统中户外环境中3D打印广泛使用的材料。然而，其在不同加载速率下对载荷的响应仍有待进一步明确。研究人员应用红外热像术追踪样品在测试期间的温度变化，并以此考察
结构零件的重要特性之一是其耐久性。丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯（ASA）是材料挤出（MEX）增材制造（AM）系统中户外环境中3D打印广泛使用的材料。然而，其在不同加载速率下对载荷的响应仍有待进一步明确。研究人员应用红外热像术追踪样品在测试期间的温度变化，并以此考察样品在不同横梁（十字头）速度（最高达200 mm min?1）下的压缩响应。在准静态加载速率（1.3 mm min?1）下压缩加载获得的强度为44.6 MPa，而在200 mm min?1加载速率下为57.7 MPa。在较高测试速度下应变率敏感性指数更大。样品温度随应变率增加而升高。与较低横梁速度下的26 °C相比，在最高应变率下记录到的最高温度为45 °C。这些结果揭示了在所研究的准静态至中等应变率范围（最高约0.065 s?1）内，MEX打印ASA材料中黏弹性耗散、自发热和表观刚化之间的相互作用。它们为该应变率范围内打印零件的率相关建模提供了重要参考数据。
研究背景方面，增材制造（AM）通过逐层添加材料制造三维几何结构，具有传统制造难以提供的设计自由度和几何复杂性，已应用于航空、汽车、电子、海洋、食品和生物医学等领域。聚合物是AM常用材料，其中ASA为无定形热塑性塑料，具有优异的耐候性和耐化学性，常用于汽车、航空航天、海洋、医疗、电气/电子及户外结构。ASA常与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）比较，其以丙烯酸酯橡胶替代丁二烯橡胶，因丁二烯弹性体中缺少双键而避免氧化，从而保持力学性能并避免日照、湿气或氧气导致的颜色变化。现有3D打印ASA研究多关注重复热机械循环后的可持续性、打印参数对力学行为和质量的影响、单轴拉伸高伸长速度响应、复合材料及共混物等。压缩加载是MEX打印聚合物零件的重要力学条件，但文献中关于3D打印结构压缩行为仍不足；逐层沉积过程及热塑性聚合物在压缩多轴加载下的非线性、黏性和热行为使表征具有挑战性。已有研究虽涉及ABS、聚酰胺、聚乳酸（PLA）、热塑性聚氨酯（TPU）等的应变率敏感性，且ASA拉伸应变率敏感性已有报道，但尚未见研究考察ASA在压缩加载下的相应响应。聚合物加载时因黏弹性行为会发生热机械自发热，机械功以热形式耗散，导致局部热软化并使应力-应变曲线反映热机械耦合状态而非纯力学状态，红外热像可提供高分辨率温度演化数据。因此，本研究旨在表征MEX打印ASA在最高200 mm min
?1测试速度下的压缩力学响应，并用红外热像监测样品温度演化，量化应变率对压缩强度和应变率敏感性指数的影响，评估绝热自发热随加载速率的变化，并结合ASA黏弹性讨论热-力响应耦合；同时用热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）、Raman光谱、流变、微计算机断层扫描（μ-CT）和光学显微进行辅助表征与失效分析。
关键技术方法方面，研究以3DXtech（美国密歇根州Grand Rapids）提供的3DXmax牌号ASA颗粒为原料（非样本队列），经干燥、挤出制丝后，按ASTM D695标准以MEX垂直打印12.7×12.7×50.8 mm压缩试样；用万能试验机在1.3、10、50、100、150、200 mm min
?1下压缩，每条件5件；同步用高速中波红外热像仪以200 Hz记录表面温度并与力-位移数据同步；用TGA、DSC、旋转流变和Raman光谱表征热性能、流变和结构；用μ-CT、数字卡尺和光学显微评价尺寸精度、孔隙及失效形貌；热像数据用Matlab自定义程序处理。
研究结果中，3.1 热性能、流变学和Raman光谱：通过TGA、DSC、流变和Raman分析，获得TGA曲线、打印温度、最终残余和初始分解温度（IDT）、DSC玻璃化转变温度（T
g）及吸/放热曲线、黏度和Raman谱；Raman峰被识别并与已有文献匹配，说明材料热行为和结构特征。3.2 质量控制：通过显微观察和直径监测，挤出丝直径保持在名义1.75 mm的±0.1 mm内；μ-CT显示打印试样相对名义几何的最大偏差为381 μm，孔隙率为0.35%，并给出尺寸偏差和孔洞体积分布；孔洞直径增大时孔洞致密性下降。结果表明打印质量可接受。3.3 压缩测试与热机械自发热分析：通过不同横梁速度下的压缩试验并同步红外热像，发现高速试样屈服和失效强度更高，失效形变更明显呈“S形”，高速试样裂纹更大，温升显著更高；低速最高温度约26 °C，高速约44 °C，约增加66%。全程结果表明压缩强度从1.3 mm min
?1的44.6 MPa单调增至200 mm min
?1的57.7 MPa，净增约29%；屈服强度总体增加但中间速度有波动，最高增幅约27%；杨氏模量随速度呈非单调小幅增加，最高增加8.4%；断裂应变呈非单调波动，速度间差异可超过50%；应变率敏感性指数m先下降，从10 mm min
?1起持续增至150 mm min
?1达最高，随后在200 mm min
?1急剧下降。热像与力学曲线联合分析显示，温升在应变超过0.05后更明显，50、100、200 mm min
?1下温度偏差较大；韧性随应变率增加而较均匀增加，100 mm min
?1以上更明显；强度、屈服强度和韧性同测试速度的相关系数接近1，温度Pearson相关系数为0.88，杨氏模量为0.59，应变相关性弱但为正。失效形貌分析显示所有试样呈典型C形或S形屈曲，随应变率由一阶C形向二阶S形转变；除10 mm min
?1和100 mm min
?1外均出现层间开裂，裂纹形状和尺寸受应变率影响，200 mm min
?1因热软化裂纹较窄。上述结果说明MEX打印ASA在该应变率范围内存在应变率硬化、黏塑性耗散驱动的自发热及热软化与率硬化之间的耦合。
讨论部分总结：研究使用单一商用ASA牌号3DXMAX，定量力学和热性能可能不适用于其他商用ASA牌号。ASA为橡胶增韧的无定形玻璃态基体三元共聚物，丙烯酸酯弹性体相分散于苯乙烯-丙烯腈（SAN）基体中，这种两相形貌可解释率相关力学响应及加载中的黏弹性能量耗散；强度随压缩应变率增大、可测自发热随变形速率增强等趋势可代表ASA材料类的总体行为，但具体数值受橡胶相含量和粒径/形貌、基体分子量和SAN比例、添加剂包以及MEX长丝制备、打印参数和孔隙率等影响。TGA显示95%质量保持的初始分解温度IDT55=374.8 °C，显著高于200–230 °C加工温度，说明长丝生产和打印中无热降解；DSC测得T
g≈104–107 °C，最高应变率下最高温度约43.7–45 °C，低于T
g约60 °C，表明全部测试条件均处于玻璃态，自发热导致的软化应解释为亚T
g范围内的黏弹-黏塑性效应而非向橡胶态转变。尺寸偏差分布与象脚效应、热收缩和残余应力有关；孔隙尺寸与致密性反相关。强度增加归因于高变形速率下分子链迁移受限、塑性流动阻力升高；屈服强度中间速度波动可能与率硬化和自发热热软化的竞争有关。自发热在应变大于0.05后突出，与屈服后黏塑性耗散为主一致，高加载速率下测试热力学更接近绝热条件。热像偏差与MEX打印试样裂纹萌生的随机性有关，强调全场热像监测优于点测量。失效上，低速变形较均匀，高速试样更刚更脆，150 mm min
?1形成较大宏观裂纹，200 mm min
?1热软化影响裂纹形成；C形至S形屈曲转变及层间剪切和层内断裂与文献一致。研究还指出应变为名义值，m及关联基于试样级名义应变率，未来需结合局部应变率场、热像和载荷-位移数据进一步区分名义与局部应变率效应。
研究结论译文：本系统实验研究结合实时红外热像监测与压缩加载下MEX打印ASA热塑性塑料的力学表征，测试了1.3至200 mm min
?1六个加载速度。主要发现如下：• 证实了应变率硬化，200 mm min
?1下压缩强度增加约29%。• 试样温度从1.3 mm min
?1的26.4 °C单调升高至200 mm min
?1的43.7 °C，增加66%，与应变率良好耦合，Pearson相关系数为0.88。• 加载过程的非等温效应似乎影响力学性能指标；例如200 mm min
?1下屈服强度降低可能与热软化相关，但本研究无法将其与其他率相关效应明确分离。• 杨氏模量呈非单调应变率依赖性（Pearson相关系数较低，为0.59），随测试速度小幅增加（约8.4%）。• 样品失效随测试应变率由一阶屈曲（C形）变为二阶屈曲（S形），裂纹形成亦不同。实验数据为MEX打印ASA的力学和热机械表征提供了较全面参考，可用于率相关本构模型校准及低中等加载条件下打印部件设计。未来研究可关注更高应变率和动态/冲击加载条件；本研究报告的热机械自发热可用于校准模拟MEX打印ASA部件动态响应的黏塑性本构模型；Taylor–Quinney系数（塑性功转化为热的比例）未在本研究中明确测量，应在未来研究中测量；MEX加工参数对ASA应变率敏感性指数和热机械自发热响应的影响仍很大程度上未知，是本研究自然且必要的扩展。
