熔融沉积工艺成型材料的力学性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.06.011

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (6): 68-73.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.06.011

熔融沉积工艺成型材料的力学性能研究

关天民, 李钰, 翟贇(), 雷蕾

大连交通大学机械工程学院，辽宁大连 116028

收稿日期:2021-01-11 出版日期:2021-06-26 发布日期:2021-06-23

Study on Mechanical Properties of Material Formed with Fused Deposition Molding Technology

GUAN Tianmin, LI Yu, ZHAI Yun(), LEI Lei

School of Mechanical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China

Received:2021-01-11 Online:2021-06-26 Published:2021-06-23
Contact: ZHAI Yun E-mail:yunzhai5@vip.163.com

摘要/Abstract

摘要：

结合矩形环状结构工件的实际受力工况，首先对样件结构进行三维（3D）建模，再将模型导入仿真软件中完成不同受力条件下的静力学分析，得到样件等效应力、变形云图，确定样件产生应力集中的区域。采用熔融沉积成型（FDM）工艺，加工出不同沉积角度的测试样件，对成型的样件分别进行拉伸实验。结果表明，当力与沉积角度方向呈45 °时，断裂强度相对0 °增长了63.80 %，相对90 °增长了32.81 %，得到了成型工艺与力学性能各向异性之间的关系，为特定工况下材料的成型工艺提供了参考依据。

关键词: 熔融沉积, 各向异性, 断裂强度, 有限元仿真, 应力分布

Abstract:

Based on the actual stress condition of a rectangular ring structure， the sample structure was firstly modeled in a 3D mode， and then the model was imported into the simulation software to complete the static analysis under different stress conditions. The equivalent stress and deformation cloud map of the sample was obtained， and the stress concentration area of the sample was determined. The test samples with different deposition angles were processed by a melt deposition molding method. Tensile tests were carried out on these samples. The experimental results indicated that when the direction of force and deposition angle was 45 °， the fracture strength increased by 63.80 % corresponding to 0 ° and 32.81 % corresponding to 90 °. The relationship between the forming process and the anisotropy of mechanical properties was obtained. This provides a reference for the material forming process under specific working conditions.

Key words: melt deposition, anisotropy, fracture strength, finite element simulation, the stress distribution

中图分类号:

TQ320.66

关天民, 李钰, 翟贇, 雷蕾. 熔融沉积工艺成型材料的力学性能研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(6): 68-73.

GUAN Tianmin, LI Yu, ZHAI Yun, LEI Lei. Study on Mechanical Properties of Material Formed with Fused Deposition Molding Technology[J]. China Plastics, 2021, 35(6): 68-73.

图/表 17

图1 FDM工艺制造过程示意图

Fig.1 Diagram of FDM process manufacturing process

成型方式	拉伸强度/MPa	断裂伸长率/%
3D打印	42.2	10
注射成型	62	3.5

表1 聚乳酸（PLA）产品的拉伸性能［10］

Tab.1 Tensile properties of PLA product［10］

成型方式	拉伸强度/MPa	拉伸模量/Pa
3D打印	95.55	3 746.40
注射成型	91.02	3 890.00

表2 聚醚醚酮（PEEK）的拉伸性能［11］

Tab.2 Tensile properties of PEEK product［11］

图2 矩形环

Fig.2 Rectangular ring

图3 矩形环三视及3D模型图

Fig.3 Rectangular ring three view and 3D model diagram

图4 模型网格划分

Fig.4 Model meshing

图5 模型固定约束施加位置

Fig.5 Model fixes the position where the constraint is applied

图6 模型等效应力分布及形变云图

Fig.6 Model equivalent stress distribution and deformation nephogram

图7 不同角度沉积方式

Fig.7 Different deposition patterns from different angles

图8 超高分子量聚乙烯绳的力?位移曲线

Fig.8 Forth?displacement curve of PE?UHME rope

图9 超高分子量聚乙烯绳与矩形环样件

Fig.9 PE?UHMW rope and rectangular ring sample

图10 矩形环拉伸过程中受力情况

Fig.10 Stress of rectangular ring during stretching

图11 简化矩形环受力情况

Fig.11 Simplified rectangular ring stress

图12 模型的局部放大图

Fig.12 Partial magnification of the model

图13 样件断口形状图

Fig.13 Fracture shape diagram of sample

序号	角度/（°）	最大负荷/N	最大负荷平均值/N	断裂强度/MPa	断裂强度平均值/MPa	断裂强度的标准偏差	矩形环最大位移量/mm
1	0	166.60	170.53	13.88	14.21	0.43	0.13
2		176.40		14.70
3		168.60		14.05
4	45	282.24	279.33	23.52	23.28	0.69	0.23
5		286.00		23.83
6		270.00		22.50
7	90	196.00	210.33	16.33	17.53	1.06	0.19
8		214.40		17.87
9		220.60		18.38

表3 拉伸实验结果

Tab.3 Tensile test results

图14 矩形环样件的应力?应变曲线

Fig.14 Stress?strain curve of rectangular ring sample

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