填充材料对采用PLA材料通过3D打印技术制造的小型测试试样抗拉强度的影响

《Macromolecular Symposia》：The Influence of Infill on the Tensile Strength of some Mini-Test Specimens Manufactured by 3D Printing From PLA

　　**摘要**
在工业实践中，可能会遇到这样的情况：用聚合物材料通过3D打印制造的小部件受到拉伸应力。由于标准拉伸测试机不适用于测试低于其最大额定力10%的应力值，因此有必要设计和制造一种小型设备（或称为微型测试装置），以便对这些小型测试样品进行拉伸测试。利用这种小型设备，对通过3D打印制造的聚乳酸（PLA）小型样品进行了拉伸测试。这些样品采用了不同的填充数值，旨在突出该因素对拉伸强度大小的影响。确定了经验数学模型，以阐明填充量对聚乳酸小型样品的极限抗拉强度（UTS）的影响。

**1 引言**
抗拉强度是像PLA这样的加成制造聚合物材料的重要机械性能，它受到诸如填充密度和层取向等工艺参数的显著影响[1, 2]。然而，对于微型部件或样品而言，准确表征这一性能面临重大挑战。遵循ASTM D638[3]等标准程序的标准拉伸测试机不适用于聚合物的低载荷测量，因为它们可能会施加过大的力，并且分辨率不足，导致较大的误差[4-6]。这一限制催生了专用微型测试设备的需求。尽管微型测试的概念早已存在，但其应用于系统研究3D打印聚合物（特别是模拟填充物和应变共同影响方面）仍然是一个需要进一步探索的领域。本研究旨在通过使用定制的微型拉伸测试仪来解决这一空白。主要目的是系统地研究填充百分比（infill%）和应变对拉伸力的影响，并建立一个经验数学模型来预测PLA样品的机械响应。

**2 材料与方法**
本研究旨在使用定制的微型测试装置，研究某些特定工艺因素对聚合物微型样品抗拉强度的影响。这些微型样品比标准样品小得多，适用于材料可用性或测试空间有限的应用场景。这些样品由聚乳酸（PLA）制造，PLA是一种常用于添加剂制造和生物医学应用的生物可降解热塑性材料。微型聚乳酸（PLA）样品是通过Fused Deposition Modeling（FDM）技术使用Bambu Lab A1迷你打印机制造的，且未进行任何后处理。样品的几何形状改编自参考文献[7]中的设计（具体来说是该文献第195页的图2），当前研究中使用的样品示意图可见于图1a。共制造了五种填充百分比的样品：15%、30%、50%、70%和100%。所有样品均以水平方向打印在机器的印制平台上，内部填充图案设置为45°的直线图案。打印时间从15%填充的样品的9.15分钟到100%填充的样品的9.90分钟不等，后续分析使用的平均时间为9.11分钟。

**实验结果**
实验结果通过基于最小二乘法的软件进行了数学处理[8]，以确定经验数学模型。数据处理使用了由Cre?u[8]开发的专用软件GWBASIC.exe。该软件采用最小二乘法，并利用高斯准则（Gauss Criterion）作为评估标准，从多种类型的数学模型中生成并选择最合适的模型（例如一阶和二阶多项式、幂函数、指数函数和双曲函数）。

**3 结果**
图2显示了测试前后的两种填充情况。可以看出，只有100%填充的样品在底部发生了断裂。
图2表明：
(a) 15%填充的样品在测试前后的状态；(b) 100%填充的样品在测试前后的状态。所使用的软件能够确定以下类型的经验数学模型：一阶多项式、二阶多项式、幂函数、指数函数和双曲函数。使用高斯准则[8]评估数学模型与实验数据的适用性。为了突出应变（d）和填充量（i）对最大拉伸破坏力F的影响，仅考虑了表1中列出的应变小于或等于0.6毫米的样品。分析显示，最合适的模型是二阶多项式函数：
对于该模型，高斯准则的值为SG = 457.5067。然而，也认为幂函数类型可能提供更直接的信息：
在这种情况下，高斯准则的值为SG = 457.5067。利用幂函数类型，得出了图3所示的图表。分析表明，在实验测试条件下，两个输入因素中，应变d的影响比填充量i更大（因为在方程(2)中，d的指数值大于i的指数值（1.334 > 0.608）。分析还显示了填充百分比与抗拉强度之间的强相关性：低填充量导致强度较低且变形较大，而最大填充量虽然提供了较高的强度，但材料较脆；中等填充量则代表了最佳的折中方案。

**4 结论**
本研究旨在分析3D打印过程中某些输入因素（即填充百分比和拉伸测试过程中的应变）对聚合物材料（聚乳酸，PLA）样品抗拉强度值的影响。实验是在专为进行拉伸-压缩测试而设计和制造的微型设备条件下进行的。文献研究表明，对加成制造聚合物材料进行精确测试需要专用设备，因为传统设备通常无法为低于2000牛顿的载荷提供可靠的结果。所设计的微型设备包括一个由底板、两根立柱和顶板组成的刚性框架，以及一个通过手轮操作的手动螺旋驱动系统。该螺旋驱动系统通过小型夹具对样品施加力，样品的伸长量通过连接到螺旋上的刻度盘进行测量，从而实现力和应变的同步记录，用于构建应力-应变图。实验结果证实了填充百分比对力大小的显著影响，强调了其对工艺优化的重要性。

**附录：实验条件及拉伸力（N）的结果**
表1显示了不同填充百分比下的实验条件及所得结果：
| 填充百分比（%） | 变形（mm） | 最大抗拉力（N） |
|-----------|--------|-----------|
| 15% | 0.2 | 33.5 |
| 30% | 0.4 | 55.3 |
| 50% | 0.6 | 72.6 |
| 75% | 0.8 | 150.3 |
| 100% | 1.0 | 181.3 |

实验结果通过基于最小二乘法的软件进行了数学处理，以建立经验数学模型。