熔融沉积工艺参数对热塑性聚氨酯弹性体静动态力学性能的影响

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.05.006

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (5): 29-35.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.05.006

熔融沉积工艺参数对热塑性聚氨酯弹性体静动态力学性能的影响

雷经发¹^,², 沈强¹, 刘涛¹^,²(), 孙虹¹^,², 尹志强¹

^1.安徽建筑大学机械与电气工程学院，合肥 230601
^2.工程机械智能制造安徽省教育厅重点实验室，合肥 230601

收稿日期:2022-02-07 出版日期:2022-05-26 发布日期:2022-05-26
通讯作者: 刘涛（1984—），男，副教授，从事材料静动态力学性能测试研究，tao.liu@ahjzu.edu.cn
E-mail:tao.liu@ahjzu.edu.cn
基金资助:
合肥市自然科学基金项目(2021019);安徽高校自然科学研究重大项目(KJ2021ZD0068);安徽省教育厅高校优秀拔尖人才培育项目(gxbjZD2020078)

Influence of fused deposition process parameters on static and dynamic mechanical properties of thermoplastic polyurethane elastomer

LEI Jingfa¹^,², SHEN Qiang¹, LIU Tao¹^,²(), SUN Hong¹^,², YIN Zhiqiang¹

^1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Anhui Jianzhu University，Hefei 230601，China
^2.Anhui Key Laboratory of Intelligent Manufacturing of Construction Machinery，Hefei 230601，China

Received:2022-02-07 Online:2022-05-26 Published:2022-05-26
Contact: LIU Tao E-mail:tao.liu@ahjzu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

为揭示通过熔融沉积成型（FDM）工艺制备的热塑性聚氨酯弹性体（TPU）的静动态力学性能及工艺参数对其力学性能的影响，采用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆（SHPB）实验装置对使用3种打印速率（10、40、70 mm/s）和3种喷头温度（200、220、240 ℃）制备的TPU开展准静态（0.01 s^-1）和动态（1 000 s^-1）加载下的力学性能试验，并进行工艺参数优选，同时进一步获取了材料在较宽应变率范围（0.001~2 500 s^-1）的应力?应变样本空间数据。结果表明，准静态和动态加载下，喷头温度220 ℃、打印速率40 mm/s为最优工艺参数；试样在准静态和动态下均具有应变率效应；准静态下试样超弹性特征显著，动态下结合朱?王?唐（ZWT）方程构建的材料黏弹性本构模型拟合曲线与实验曲线吻合较好；采用最优工艺参数制备的试样出现明显“微相分离”现象。

关键词: 热塑性聚氨酯弹性体, 熔融沉积成型, 分离式霍普金森压杆, 应变率

Abstract:

To explore the static and dynamic mechanical properties of thermoplastic polyurethane elastomer prepared through the fused deposition modeling process as well as the influence of process parameters on the mechanical properties， the mechanical properties of thermoplastic polyurethane elastomer under a quasi?static loading of 0.01 s^-1 and a dynamic loading of 1 000 s^-1 were evaluated at three printing speeds of 10， 40 and 70 mm/s and three nozzle temperatures of 200， 220， and 240 °C using a universal material testing machine and a split Hopkinson pressure bar （SHPB） experimental apparatus. The process parameters were also optimized. Furthermore， the stress?strain sample space data were further obtained in a wide strain?rate range of 0.001~2 500 s^-1. The results indicated that a nozzle temperature of 220 °C and a printing speed of 40 mm/s were the optimal process parameters under the quasi?static and dynamic loadings. The specimens had a strain?rate effect under both the quasi?static and the dynamic conditions， exhibiting significant hyper?elastic characteristics under the quasi?static condition. Using a viscoelastic constitutive model of the material combined with the ZWT （Zhu?Wang?Tang） equation under the dynamic condition， the fitted curves of the model were in good agreement with the experimental curves. The specimens showed an obvious "micro?phase separation" under the optimal process parameters.

Key words: thermoplastic polyurethane elastomer, fused deposition modeling, split Hopkinson pressure bar, strain rate

中图分类号:

TQ323.8

雷经发, 沈强, 刘涛, 孙虹, 尹志强. 熔融沉积工艺参数对热塑性聚氨酯弹性体静动态力学性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 29-35.

LEI Jingfa, SHEN Qiang, LIU Tao, SUN Hong, YIN Zhiqiang. Influence of fused deposition process parameters on static and dynamic mechanical properties of thermoplastic polyurethane elastomer[J]. China Plastics, 2022, 36(5): 29-35.

图/表 16

图1 TPU分子结构示意图

Fig.1 Schematic diagram for molecular structure of TPU

图2 FDM原理图

Fig.2 Schematic diagram of FDM equipment

图3 准静态和动态试样实物照片

Fig.3 Photo of quasi?static and dynamic specimens

图4 SHPB装置

Fig.4 Split Hopkinson pressure bar device

图5 TPU动态压缩原始波形及应力平衡图

Fig.5 Dynamic compression raw wave form and stress balance diagram of TPU

图6 不同打印速率和喷头温度下TPU的准静态应力?应变曲线

Fig.6 Quasi?static stress?strain curves of TPU prepared at different print speed and print head temperature

打印速率/mm·s^-1	喷头温度/℃
打印速率/mm·s^-1	200	220	240
10	9.44	24.69	25.37
40	13.93	37.71	32.50
70	11.96	25.94	28.26

表1 FDM工艺参数对试样弹性模量的影响 (GPa)

Tab.1 Effect of FDM process parameters on modulus of elasticity of the specimens

图7 不同应变率下TPU准静态工程应力?应变曲线

Fig.7 Quasi?static engineering stress?strain curves of TPU at different strain rates

图8 不同打印速率和喷头温度下TPU的动态应力?应变曲线

Fig.8 Dynamic stress?strain curves of TPU prepared at different print speed and print head temperature

喷头温度/℃	打印速率/mm·s^-1	弹性模量/GPa	屈服应力/MPa
200	10	283.5	11.53
	40	442.0	11.83
	70	212.0	8.57
220	10	470.0	17.88
	40	484.5	18.26
	70	433.0	16.38
240	10	368.2	14.57
	40	449.5	18.15
	70	348.1	13.89

表2 FDM工艺参数对试样弹性模量和屈服应力的影响

Tab.2 Effect of FDM process parameters on modulus of elasticity and yield stress of the specimens

图9 不同应变率下TPU的动态工程应力?应变曲线

Fig.9 Dynamic engineering stress?strain curves of TPU at different strain rates

图10 ZWT 模型结构示意图

Fig.10 Schematic diagram of ZWT model structure

应变率/ s^-1	E₀/MPa	E₁/MPa	α/MPa	β/MPa	E₂/MPa	θ/μs	R²/%
1 200	-30 600	206 500	14.3	-3531	10 130	-19	98.75
1 800	730	-599	-71.6	-776	55	193	98.69
2 100	-1 281	1 142	209.8	-1 055	290	-178	98.55
2 500	-30 980	30 600	271.4	-1 265	517	-9.49×10^-4	97.99

表3 ZWT模型拟合参数值

Tab.3 ZWT model fitting parameter values

图11 ZWT模型拟合曲线与实验数据对比

Fig.11 Comparison of ZWT model fitting curves and experimental data

图12 不同打印速率和喷头温度下试样表面的SEM照片

Fig.12 SEM images of surface of specimens prepared at different nozzle temperatures and printing speed

图13 优化工艺参数下试样表面的SEM照片

Fig.13 SEM image of surface of specimen prepared using optimized process parameters

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熔融沉积工艺参数对热塑性聚氨酯弹性体静动态力学性能的影响

Influence of fused deposition process parameters on static and dynamic mechanical properties of thermoplastic polyurethane elastomer

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