聚合物增材制造部件强度足够吗？

        增材制造的主要好处是工程师可以利用任意形状来生产机械性能优越或表现出独特机械功能的结构。为了最大限度地发挥这些优势，工程师需要充分了解打印材料的机械极限。

        这对于增材制造 (AM) 聚合物来说是一个挑战，因为它们的力学行为很复杂，通常在很大程度上取决于打印方向、加载速率、温度、加载历史和/或化学环境。此外，新的增材制造聚合物材料不断推出，但这些材料的特性可能尚未完全了解。本文重点介绍了设计高性能增材制造零件时需要考虑的聚合物机械力学行为的一些重要方面。在设计过程的早期考虑这些因素可以节省开发时间并降低机械故障的风险。

聚合物的各向异性

        3D 打印的逐层性质本质上会导致材料具有各向异性微观结构，通常会导致强度、延展性和/或疲劳寿命各向异性。图 1 显示了一个示例。左图显示了 SLS PA12 拉伸样本的拉伸强度与构建方向的函数关系。当材料以与打印方向成 60 度的角度加载时，可获得最高强度。材料固有的各向异性会延续到结构中。右图显示了受弯曲载荷的晶格结构的强度。当最高应力方向与构建方向成 60 度时，可观察到最高强度。在设计零件和优化构建方向以实现最高零件性能时，了解这些影响非常重要。

聚合物对应变速率的依赖性

        聚合物的变形和失效通常在很大程度上取决于材料的加载速率。一般来说，聚合物受到应力的速度越快，其强度越高，但延展性越低。图 2 显示了在每秒 0.004 应变到每秒 200 应变的应变速率下测试的 MJF PA12 的应力应变数据。了解这些影响对于增材制造零件可能遭受冲击或其他高速负载事件的应用非常重要。在冲击载荷事件期间，在标准材料测试速率下观察到的延展性可能不存在，从而导致意外故障。

聚合物对温度敏感性

        工程师在设计承受非环境热条件的零件时必须了解温度对强度和延展性的影响。图 3 中的图像显示了 DLS 氰酸酯在高达 200°C 的温度下的应力应变响应。刚度和强度随温度下降，但延展性显着增加。温度还会加速蠕变和应力松弛，因此如果对材料施加高静载荷，则需要充分了解温度影响。

聚合物疲劳

        疲劳是指在反复加载和卸载的情况下材料中裂纹逐渐产生和扩展的过程。AM 聚合物也不能免受这种失效机制的影响。在聚合物承受循环载荷的应用中需要考虑疲劳失效。图4显示了DLS聚氨酯材料的疲劳寿命。中间的图像显示了在样本中心产生的疲劳裂纹。拥有疲劳寿命数据可以使用适当的设计标准来确保足够的零件寿命。

正确的测试

        拥有正确的力学性能数据对于在设计过程的早期做出良好的工程决策是必要的。高效获取正确的数据将帮助您节省时间和预算，并充分利用您的增材制造设计。在开始测试计划之前，请努力了解材料如何在使用中装载以及环境条件如何 - 这通常意味着进行不符合任何标准的测试，但它将带来更好的最终产品。