0引言

3D打印技術是根據所設計的模型通過3D打印設備逐層增加材料來制造三維產品的技術[1].隨著3D打印技術的不斷發展[2],其運用越來越廣泛。對于汽車行業由于其能簡化生產環節、縮短生產周期、加快汽車更新換代速度、滿足消費者個性化消費的心理方面、汽車維修、應急處理突發事件等優勢，在汽車行業逐步開始使用[3 - 4],其中3D打印工程塑料已經在汽車行業取得了一定的使用。但是鮮見3D打印工程塑料的力學性能研究，從而限制了其進一步作為結構件材料在汽車上的應用。對于工程塑料而言，一般不具有明顯的各向異性，并且可以用彈塑性模型去描述它們的力學行為[5 - 8].由于加工方式的不同，3D打印工程塑料的力學特性必然與普通的工程塑料有所不同。在之前的研究中，文獻 [9]研究了3D打印的PLA材料，認為PLA材料是脆性的并且在彈性階段各向異性，文獻 [10] 用3D打印材料時仍然將其當作各向同性材料的模型使用。本文通過3D打印設備按照不同的方向，以及不同的纖維直徑打印。通過材料試驗機測得其力學特性曲線，從而建立3D打印工程塑料的本構模型。本文將分析3D打印工程塑料的特殊力學特性，對3D打印材料的運用提出新的要求與可能性。研究將對3D打印材料在汽車行業的運用有著積極的作用。

1試驗方法

1. 1 3D打印試件

工程塑料因為其強度高，熱穩定性好，在汽車行業運用廣泛。本文選取了ABS材料，并采用熔融沉積的方法進行3D打印。首先將ABS材料通過送料機供給，ABS在通過打印噴頭時加熱融化并擠出。擠出的材料在受冷時迅速固化，并且與已經固化的材料粘結，逐層堆積。在3D打印過程中，由于ABS是通過絲狀物擠出，絲狀物的排布方向可能會對材料的力學行為有著重要的影響。另外可以通過控制纖維的直徑打印出不同纖維直徑的樣件。本文通過3D打印設備 （ 見圖1） ,利用ABS工程塑料，按照不同的打印方向、打印纖維直徑，打印出如圖2所示的狗骨狀試件。

1. 2拉伸試驗

根據國家標準 （GB /T 1039-92） ,試件制成狗骨狀試件，試件尺寸如圖2（a） 所示。本文試驗平臺為INSTRON 5966材料試驗平臺。用試件夾頭將試件兩端夾緊后，控制試驗機以2 mm/min的速度加載，這一加載速度可以認為是準靜態加載，如圖2（b） 所示。本試驗采用位移傳感器與力傳感器分別測試件拉伸時的力和位移，其中，兩傳感器的放置位置均為上夾頭。

上一節介紹了打印不同纖維大小和不同打印方向的試件。本文對這兩種情況展開討論，探究3D打印參數對材料特性的影響。為了保證試驗的可靠性，同種試件重復3次試驗。

2結果與討論

2. 1 3D打印工程塑料的各向異性

工程塑料按照兩種不同的打印方向制成，具有明顯的各向異性。如圖3所示，試件為橫向 （ 垂直纖維方向） 打印的應力-應變曲線結果 （ 其中應力由力除以截面積，應變由拉伸位移除以標距得到）。結果顯示試件載荷隨著位移的增長而線性增加，在達到一定的位移后發生脆性斷裂，材料表現出很強的脆性，可以認為3D打印工程塑料在橫向表現出彈脆性材料的特性。并且所有試件斷裂的位置在靠近夾具的位置，斷口方向為0°方向，并且斷口比較平整。

而對于豎向 （ 纖維方向） 打印的試件，材料的性能呈現出完全不一樣的結果。首先材料具有明顯的彈塑性特點，可承載能力明顯高于橫向打印的試件，試件的破壞載荷為橫向打印試件的2. 5倍。同時由圖3（b） 所示曲線將分為兩段，分別為線彈性階段、塑性軟化階段。在線彈性階段載荷隨著位移的增加而線性增加，而在軟化階段載荷隨著加載位移的增加而降低。斷裂發生在塑性階段，斷口方向同樣 為0°方 向，斷 口 處 較 為 平 整，如 圖3（b）所示。

2. 2纖維直徑對力學性能的影響

3D打印設備可以控制纖維的粗細，當纖維較粗時，3D打印的速度也會隨之增快，但是打印精度卻會隨之降低。本文 討論 了 纖 維 直 徑 分 別 為0. 15,0. 2,0. 25,0. 3 mm纖維直徑的力學性能。

在橫向方向上如圖4所示，4種試件在線彈性階段的斜率幾乎一樣，但是失效應變卻有著明顯的差異，由圖4（a） 可以看出，在纖維較小時試件會產生較小的失效應變，而在纖維較大時，失效應變增加。

在豎向方向上，所有纖維直徑都顯示出彈塑性的特性，在纖維直徑等于0. 25時屈服強度和極限載荷有著明顯的提高，纖維直徑等于0. 3時破壞位移/應變是最大的。根據上述結果可以表明，在打印精度要求不是很高的部件時，可以盡量采用較粗的纖維，這樣既可以保證較大的打印速度也可以保證較好的力學性能。

2. 3 3D打印工程塑料本構關系

根據前面的研究，纖維的直徑對于3D打印工程塑料有著重要的影響，在建立材料模型時必須要考慮纖維直徑的影響，本文針對纖維直徑為0. 3 mm,建立本構模型。圖5為材料的應力-應變曲線，可以看出橫向和豎向的彈性模量幾乎相等，在彈性階段可以認為這種材料是各向同性的，楊氏模量Eiso=512. 26 MPa.在橫向方向，應變達到0. 03則失效，而在豎向方向，纖維在達到應變為0. 05達到塑性階段，應變達到0. 08時則會發生斷裂。

在橫向方向即垂直纖維方向，可以用線彈性模型去描述3D打印材料的力學行為，描述為：

σh= Ehεh, （1）