《Polymer Testing》：Design of a novel thin-walled tube specimen for multiaxial loading conditions and a method to estimate the load-train compliance
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研究人员开发了用于多轴聚合物测试的薄壁管试样，优化了设计以防止夹具滑移和早期结构失效，证明了垂直FFF（熔丝制造）ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）由于孔隙在拉伸中表现为脆性聚合物，发现压缩ABS管通过塑性塌陷而非屈曲失效，并使用了零长度外推法校正柔度而无需引伸
研究人员开发了用于多轴聚合物测试的薄壁管试样，优化了设计以防止夹具滑移和早期结构失效，证明了垂直FFF（熔丝制造）ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）由于孔隙在拉伸中表现为脆性聚合物，发现压缩ABS管通过塑性塌陷而非屈曲失效，并使用了零长度外推法校正柔度而无需引伸计。
论文解读文章
**研究背景**
增材制造（AM）技术因灵活生产复杂近净形部件而广泛应用于航空航天、汽车、生物医学和土木工程等领域，其中熔丝制造（FFF）是最常用的技术之一。然而，FFF零件存在显著的各向异性，层间结合弱且孔隙率较高，导致沿构建方向（z轴）的强度和韧性降低。当前文献主要关注拉伸和压缩行为，对扭转或多轴加载下的响应研究较少，且针对3D打印试样的扭转研究多采用实心棒或圆柱体。薄壁管在结构上能最大化扭转阻力并减少材料浪费，但针对3D打印薄壁管的研究极为有限。本研究旨在设计一种适用于单轴和多轴（拉伸、压缩、扭转或组合）测试的新型圆柱试样几何，并解决机器和试样柔度对弹性常数测量的影响，提出无需复杂数字图像相关（DIC）系统的校正方法。研究聚焦于丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）因其在FFF中的广泛使用，且作为无定形聚合物可避免结晶缺陷。研究人员认为这是首次成功将薄壁管力学应用于克服FFF打印ABS在多轴加载下的独特限制，为后续研究不同材料和光栅取向提供了基线。论文发表在《Polymer Testing》。
**主要技术方法**
本研究采用Bambu Lab? X1E打印机，以0.4mm喷嘴、0.20mm标准预设、100%同心壳和填充参数，垂直方向打印ABS薄壁管试样（外径20mm，壁厚2mm，标距30mm）。夹持区经优化：100%填充以减少变形，半径缩小至24mm，并添加纵向沟槽防止滑移，同时设置5mm应力释放段和15mm大内圆角。测试设备包括Instron? 5989（10kN载荷传感器、双轴引伸计）进行单轴拉伸（ISO 527 1BA试样，10个），以及Walter+Bai LFV25-T75-HH双轴伺服液压试验机（25kN轴向、75Nm扭矩）进行轴向和扭转测试（每个条件5个圆柱试样）。柔度校正采用刚性试样法（钢圆柱）和多长度法（标距30、40、50mm各一个试样），后者通过线性拟合提取寄生柔度。
**研究结果**
**4.1 单轴拉伸测试**
ISO 527 1BA试样的应力-应变曲线显示典型脆性聚合物行为，层间断裂为主。弹性模量（1731±160 MPa）、拉伸强度（18.3±0.6 MPa）和断裂应变（2.5±0.1%）均低于制造商数据及典型块体ABS，归因于垂直打印方向导致的高孔隙率和弱层间结合。泊松比（0.404±0.026）与文献值一致。
**4.2 圆柱试样轴向和扭转测试**
圆柱试样在拉伸、压缩和扭转下表现出不同响应：压缩强度（47.3±1.4 MPa）约为拉伸（19.6±1.1 MPa）或扭转（22.3±0.1 MPa）的2.5倍。压缩曲线显示线性弹性后进入非线性平台，应力上升可能源于材料致密化。通过Johnson抛物线公式和圆柱壳理论分析，有效长细比（2.3）远小于临界长细比（>100），临界屈曲应力（28.1 MPa）接近实测压缩强度，证实压缩失效由塑性塌陷主导，而非屈曲。与文献中实心ABS棒对比，薄壁管设计在等剪切应力下达到相同峰值强度（22.3 MPa），且更高效。
**4.2.1 弹性性质校正**
刚性试样法仅校正机器柔度，校正后弹性模量（1112±50 MPa）仍远低于单轴拉伸值（1731±16 MPa）。多长度法通过测试不同标距试样，将机器、夹具和过渡区柔度归入截距，获得斜率后校正弹性模量（拉伸1666±111 MPa，压缩1685±24 MPa）和剪切模量（719±10 MPa），后者与各向同性假设推导的616±22 MPa存在差异，符合FFF材料各向异性特征。校正后的弹性模量接近单轴拉伸值，验证了多长度法的有效性。
**4.3 局限与未来工作**
本研究仅涉及单一材料（ABS）、单一构建方向（垂直）和单一填充配置（100%同心），后续研究将系统探究不同材料和光栅取向的多轴力学行为。
**总结讨论与结论**
研究人员成功设计了薄壁管试样，优化夹持区以消除滑移和过早失效，克服了实心棒的不均匀应力分布。测试表明，压缩塑性塌陷而非屈曲主导失效，多长度法能准确校正柔度，获得更真实的弹性模量。结论部分翻译如下：
成功设计了一种圆柱形薄壁试样，以最大化扭转阻力并测试FFF 3D打印ABS在各种复杂载荷下的行为。通过修改夹持区（减小半径、100%填充、纵向沟槽），有效管理了高夹持压力并消除了轴向和扭转加载下的滑移。该几何体克服了以往研究中实心棒固有的不均匀应力分布，同时通过最小化材料浪费和实现优化设计，体现了3D打印的核心优势，并促进了典型结构应用中的复杂多轴加载。力学测试表明，这些圆柱ABS试样承受的压缩应力（约47.3 MPa）约为拉伸（19.6 MPa）或扭转（22.3 MPa）的2.5倍。Johnson抛物线公式和圆柱壳理论的分析验证证实，压缩下的最终失效由塑性塌陷和内部孔隙致密化驱动，而非结构屈曲。由于无法使用标准引伸计，校正十字头记录的视位移至关重要。该研究证明，多长度法通过将过渡区和机器柔度限制在计算出的“寄生柔度”截距中，准确分离了标距内的变形。该方法得出的校正弹性模量和剪切模量比传统刚性试样法更准确。虽然非接触技术如数字图像相关（DIC）提供出色的局部应变映射，但成本高且难以在FFF零件的固有棱纹或复杂表面上实施。本文提出的多长度柔度校正方法为准确测定3D打印聚合物的宏观多轴特性提供了一种稳健、易获取且低成本的替代方案。
