复合材料

3D打印零件和材料的机械测试

Kartik Srinivas. 未分类的 那那那

产品开发的新方法&快速成型

在三维数字CAD模型的基础上，通过逐层沉积材料来制造物体的过程称为添加剂制造（AM）或者简单的3 d打印。熔融沉积建模(FDM)技术是增材制造中应用最广泛的技术之一。其他一系列的制造材料可以用于3D打印，包括尼龙、玻璃填充聚酰胺、环氧树脂、蜡和光聚合物。由于fdm在聚合物和纤维基复合材料部件生产中提供的灵活性，近年来基于fdm的聚合物产品制造有所增加。基于fdm的聚合物具有广泛应用的潜力，目前主要用于汽车、航空航天和生物医学领域。

增材制造涉及一系列过程，从创意和设计开发到使用专用打印机的最终产品制造。不同的步骤取决于制造方法的类型和材料的类型。但是，所涉及的主要流程和步骤大多是通用的，并且对于不同类型的制造应用程序是相同的。AM过程所涉及的步骤如下所示;

3 d印刷过程

融合沉积建模（FDM）

FDM是由于其简单的工艺，经济成本低，可预测的材料特性，制造3D印刷聚合物零部件和组件的选择方法。FDM已经用于各种热塑性聚合物的材料挤出制造方法。FDM中使用的一些常见的热塑性长丝是丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS），聚丙烯（PP），聚酰胺（PP），聚酰胺（PA），如尼龙，聚醚 - 醚 - 酮（PEEK）等。FDM工艺包括聚合物通过层法在连续层中挤出并沉积。FDM制造的聚合物零部件表现出良好的机械性能，表面光洁度和可制造性。FDM工艺中使用的基质材料在卷轴上以1.75mm至2.85mm的灯丝形式。灯丝被送入打印机头部，在那里它被加热并熔化在其玻璃化转变温度（Tg）上方。然后将塑料熔体通过层通过喷嘴并沉积层。

纤维增强聚合物的FDM


高分子材料的强度可通过纤维的增强而显著提高。使用3d打印技术制造的纤维增强聚合物越来越受欢迎。纤维-基体相互作用和孔隙率是聚合物复合材料3d打印中需要考虑的重要因素。FDM由于其材料的柔韧性和性能的一致性，是目前最受欢迎的聚合物纤维复合材料的生产方法。

虽然3d打印增材制造方法是一个复杂的生产材料和易于使用的零部件的过程，但这些打印零件的现场服务材料行为是高度复杂的。这些性能受长丝材料、温度、印刷速度等工艺参数的影响。材料的行为是高度各向异性的，并由沉积层和周围环境产生的微观结构控制。由此产生的材料性能可以用应力-应变关系在模型的有限元分析和应力分析中是至关重要的。188金博体188金博体育AdvanSES有充分的能力来测试这些复杂的材料和他们的行为使用阵列ot技术。3D打印零件和材料的机械测试现在是我们服务组合的关键部分

3D打印零件和材料的力学测试一般包括以下测试:

  1. 单轴拉伸测试
  2. 柔性测试
  3. 压缩试验
  4. 泊松定量检验
  5. 轴向疲劳试验。

工程材料和产品的静态和动态测试

Kartik Srinivas. 未分类的 那那

材料和产品的测试涉及材料试样或产品的机械加载，直至达到预定的变形水平或试样失效点。从这些试验中得到的材料特性进一步用于表征材料和产品。测试主要在两种条件下进行，即：；静态和动态。

材料的物理测试ASTM.D412,ASTM D638，ASTM D624等，可以分类为慢速测试或静态测试。静态测试和动态测试之间的差异不仅仅基于测试的速度，还不仅仅是在其他测试变量和参数上采用，如强迫功能，位移幅度和应变循环。差异也在从测试中退出的信息的性质。静态机械测试在较低频率下进行，通常小于一个赫兹。与典型的工程应用相比，相关的负载和施加的变形幅度也更小，并且应变速率远得多。动态载荷通常在强迫功能和高变形幅度下进行。这些强制功能和幅度在很短的时间内应用。当与聚合物，复合材料和弹性体有关时，来自传统测试的信息通常与材料或产品的质量控制方面有关，同时从动态测试中获取有关材料和产品功能性能的数据。ASTM D5992, D4092和D5279是一些动态力学测试标准。使用分离式霍普金森压杆（SHPB）、伺服液压试验机和循环疲劳试验进行的高速拉伸、压缩、冲击、断裂试验属于动态试验的范畴。

由于其在振动隔离，抗冲击性，速率依赖性和时间依赖性的优越性，聚合物材料广泛应用于各种工程应用。在一些传统的应用中，它们一致地表现出与玻璃纤维等其他材料相结合的更好的性能，并且现在在这种应用中更换金属和陶瓷。现在考虑了振动，冲击，冲击和其他粘弹性现象的聚合物性质的研究，并且了解聚合物的动态力学行为的理解成为必要和强制性。

188appcob
图1:Advances的静态和动态测试系统

频率扫描，应变扫描，温度扫描动态测试的绝对值是有意义的，但与孤立数据点具有很少的实用性。与彼此或其他已知变量相比，它们确实成为有价值的数据点。Tan Delta或阻尼系数0.4对于天然橡胶或基于EPDM的化合物差，但在FKM材料中非常好，其中化合物的结构使其静止至最佳动态性质。大多数未固化的橡胶状化合物在粘性侧开始，并且当我们固化化合物时，我们向弹性侧转向。

动态测试的重要性来自于弹性体和弹性体产品的性能，如发动机支架，悬挂保险杠，轮胎材料等，不能完全通过使用传统的静态测试方法来预测。聚合物和弹性体测试，如硬度、拉伸、压缩、低温脆性、抗撕裂性、耐臭氧性等，都是本质上的质量控制测试，并不能帮助我们了解材料在现场使用条件下的性能或耐久性。弹性体作为一种动态部件，由于其粘弹性特性，可以提供隔振、密封、抗冲击和必要的阻尼，在所有主要应用中都使用。

图2：粘弹性和动力学研究将分子结构与工程部件的制造和机械性能相关联

正如它所掌握的那样，动态特性理论可以明智地应用于产品开发，性能表征或失败分析问题。应用领域随着时间的推移而发展，具有高度复杂的乐器。需要在预先研究任何时间或频率相关的装载条件和作用在部件上的边界条件的问题，并且该理论适当地应用。不用说，当聚合物材料和组件显示出发热和疲劳相关现场故障时，动态性能最重要。动态表征将聚合物材料的分子结构与制造工艺和工程产品的现场性能涉及。动态特性在比较不同聚合物的机械性能以进行质量，性能预测，故障分析和新材料资格的重要组成部分。动态测试真正有助于我们在材料和组件级别理解和预测这些属性。

以下是可实现的测试模式和可从动态测试中寻求的材料和组件的测试结果;

测试模式

测试结果数据：

1） 储能或弹性模量（E'）与温度、频率或应变百分比的关系

2)损耗或粘性模量(E”)与温度、频率或应变%的关系

3）阻尼系数（TAN DELTA）与温度，频率或％应变

4）应力与不同应变率的菌株性能。

5）菌株对负载控制疲劳的材料或组分的循环数。

载荷或应力vs材料或部件在应变控制疲劳下的循环次数。

7） 应变控制疲劳下材料的疲劳裂纹扩展与循环次数。

没有单一的测试技术或方法能够提供材料质量或部件性能的完整图片。它始终是必须应用的测试方法和技术的组合，以获得材料质量和性能的360度视图。

参考资料：

1)聚合物的粘弹性性能，硅酸盐学报，1980。

2） Ward等人，《固体聚合物机械性能导论》，Wiley，1993年。

3)助教仪器，课堂笔记和机器手册，2006。

4） 莱克斯，罗德里克，《粘弹性材料》，剑桥大学出版社，2009年。

5)王志强，王志强，王志强，王志强，密封材料压缩应力松弛方法的有限元分析，第28届全国航空航天学术会议，2003年3月。

热塑性塑料和复合材料的机械表征测试

Kartik Srinivas. 188金宝账号上不去怎么回事 那

聚合物和复合材料

基本形态的聚合物材料表现出从弹性固体到粘性液体的一系列特性和行为．这些行为和性能取决于其材料成分、结构、温度、频率和材料或工程部件分析时的时间尺度。粘性液体聚合物被定义为没有确定的形状和流动。施加荷载作用下的变形是不可逆的。弹性材料，如钢和铝，在施加载荷时瞬间变形，并在卸载载荷时恢复到原来的状态，只要施加的载荷在材料的屈服极限之内。弹性固体聚合物的特点是具有一定的形状，在外力作用下变形，存储变形能，并在去除施加的载荷时将其返回。

热塑性聚合物树脂由长聚合物分子组成，其可能与它们附有或不具有侧链。侧链与其他聚合物分子没有连接，如图（1）所示。因此，在热塑性结构中没有交联。粒状形式的热塑性树脂可以通过加热和冷却重复熔化或固化。热软化或熔化材料，使其可以模塑。模具中的冷却将材料固化为给定的形状。有两种类型的热塑性聚合物，结晶和无定形。以下列表枚举两种聚合物类型的功能和属性。

图1:热塑性聚合物中的链

结晶聚合物：

  1. 结晶固体沿着特定的点和方向打破。
  2. 结晶固体具有有序的分子链结构图案。
  3. 结晶固体在较高的温度下流动良好。
  4. 增强纤维在结晶聚合物增加承载能力。
  5. 结晶聚合物倾向于超过无定形的。
  6. 结晶聚合物的分子结构使其更适合于不透明部件和组分。
  7. 例如：聚乙烯、聚丙烯、尼龙、缩醛、聚醚砜等。

非晶态聚合物：

  1. 无定形固体破碎成边缘参差不齐的不均匀部分。
  2. 无定形固体对分子的随机取向，没有适当的

几何或图案形成。

  • 无定形固体不容易流动，并且会在充模过程中产生问题。
  • 例如：ABS、聚苯乙烯、聚碳酸酯等。

图（2）显示了聚合物的一般类型和分类。

图2：聚合物类型及其分类

改善环境的需要聚合物的力学性能推动各种复合材料的发展。复合材料表现出与传统材料明显不同的力学行为。他们提供高承载能力，高刚度重量比和容忍从水，特定工业油，润滑脂等损害。

复合材料是由两种或两种以上组成材料制成的工程或天然材料。各组成材料的性能大多有显著差异。物理，机械和化学性质保持独立和不同的成品材料结构。大多数复合材料是由聚合物基体中坚硬而坚韧的纤维制成的。聚合物基体较弱，更多地充当粘结剂和母材。我们的目标通常是设计出一种坚固的材料结构，能够承受沉重的负荷。商用级复合材料大多是玻璃或碳纤维，其基体是热固性聚合物，如环氧树脂、尼龙和聚酯树脂。玻璃纤维是增强聚合物中最常用的增强纤维。主要由这些纤维改善的机械特性是拉伸和压缩强度。此外，热尺寸稳定性也提高了。 Thermoplastic polymers are preferred as the matrix material where the end goal is to make moldable parts and components. Glass filled nylon and other polymers offer good mechanical, chemical at a lower cost. Fibre-Reinforced Polymer (FRP), is a composite material made of a polymer matrix reinforced with fibres. These fibres are usually glass or fibres. FRPs are commonly used in the aerospace, automotive, marine, and construction industries.

复合材料也采用层状的连续增强纤维。图3显示了这类层的两种类型，其中有单向纤维和梭织织物束。这些层用聚合物树脂浸渍形成层状结构。对于大多数复合材料来说，层是作为层状结构的基本构件。这层膜可以是单向预浸料、织物或股垫。


图3：单向和机织物复合材料

机械和物理测试：

的聚合物及其复合材料的机械和物理试验对于确定材料的性能是很重要的。这些特性有助于我们理解最终产品的变形特征和破坏模式，为最终产品的设计和分析提供进一步的依据。机械和物理测试确保材料符合工业规范的性能要求，特别是苛刻的航空航天、汽车、消费品、医疗行业。聚合物复合材料的力学测试包括强度、刚度、伸长率、疲劳寿命等力学参数的确定，以方便在结构设计中使用。

复合材料的机械测试188appcob 等等，以及不同环境下的测试条件。

从拉伸试验中获得最常见的弹性模量，泊松比，拉伸强度和用于复合材料的最终拉伸菌株，并且这些性质受到增强件的几何形状，尺寸和性质的影响。弹性模量和泊松比通过测量试验的弹性变形部分期间的菌株来确定，通常低于应变水平为0.5％。

单轴张力测试（ASTM D638）

图4：根据ASTM D638的材料样品上的单轴张力测试

．单轴张力试验中的应力（σ）计算出来;

σ=负载/区域的材料样品 ............................................( 1)

应变ε由;

ε=δl（长度变化）/l1（初始长度）（2）

曲线（E）的初始线性部分的斜率为杨氏模量，由下式给出：；

E =(σ2 -σ1)/(ε2 -ε1 ) ............................................( 3)

3点弯曲弯曲试验（ASTM D790）

三点弯曲试验是为了了解复合材料和热塑性材料的弯曲应力、弯曲应力和应变。试样在水平位置加载，并且压缩应力发生在横截面的上部，拉伸应力发生在横截面的下部。这是通过从下方支撑试样的圆棒或曲面来实现的。提供具有适当半径的圆钢或支架，以便与试样有单点或单线接触。

图5：3点弯曲测试设置在ASTM D790的副车间

荷载由圆头施加在试件的顶面上。如果试样的横截面是对称的，则最大拉压应力是相等的。这种测试夹具和几何形状提供了加载条件，使试样在拉伸或压缩时失效。对于大多数复合材料，压缩强度低于拉伸强度，试样在压缩面上会发生破坏。这种压缩破坏与个别纤维的局部屈曲(微屈曲)有关。

4点弯曲弯曲试验（ASTM D6272）

四点弯曲试验为弯曲，弯曲应力，弯曲的弹性模量提供了值。该测试与三点弯曲弯曲试验非常相似。主要区别在于，由于加入第四鼻部的装载施加施加的射门，在最大应力下放置两个装载点之间的梁的部分。在3点弯曲试验中，仅在装载鼻下的光束部分处于应力下。

图6:ASTM D6272规定的Advances 4点弯曲试验设置

这种安排有助于测试高刚度材料，如陶瓷，在最大应力下的缺陷数量和严重程度与材料的弯曲强度和裂纹萌生直接相关。与三点弯曲弯曲试验相比，四点弯曲弯曲试验在两个加载销之间的区域没有剪切力。

Poisson的比率测试根据ASTM D3039

泊松比是结构设计中最重要的参数之一，在结构设计中，所有因受力引起的尺寸变化都需要考虑在内。对于这种测试方法，泊松比仅由单轴应力引起的应变得到。ASTM D3039主要用于评估毒物的比例。

图7:AdvanSES按照ASTM 3039的泊松比测试设置

通过向试样施加拉力并在应力下测量试样的各种性能来进行试验。将两个应变计以0度和90度的角度连接到试样上，以测量横向应变和线性应变。横向应变和线性应变之比为我们提供了泊松比。

横向压缩测试


当产品处于压缩状态时，材料的压缩性能是很重要的

图8：按ASTM C365在副车队的平衡压缩测试设置

装载条件。在正常的方向上进行测试，因为芯将放置在结构夹层结构中。

该测试程序与压缩要求的测试条件有关，其中变形是在准静态条件下施加的，抵消了质量和惯性效应。

组合加载压缩测试

ASTM D6641是使用组合载荷压缩(CLC)测试夹具确定聚合物基复合材料的抗压强度和刚度的测试规范。本试验程序通过组合剪切端加载将压缩力引入试件中。

图9:不支持的仪表长度的组合加载压缩设置

ASTM D6641包括两种程序;步骤A：用未标记的标本如织物，切碎的纤维复合材料，层压板，最大为50％0°。步骤B：用于与具有更高正交性的标签样本一起使用，例如单向复合材料。需要使用标签以增加标本末端的承载区域。

疲劳试验

ASTM D7791描述了单轴载荷条件下塑料动态疲劳性能的测定。刚性或半刚性塑料样品在拉伸状态下加载（程序A），刚性塑料样品在压缩状态下加载（程序B），以确定加工、表面条件、应力等对承受大量单轴应力的塑料和增强复合材料疲劳抗力的影响。研究结果适用于研究候选材料的高承载能力。ASTM建议试验频率为5 hz或更低。试验可在荷载或位移控制下进行。

图10：根据ASTM D7791，在副出士的轴向疲劳样本

试验方法允许产生应力或应变，作为循环的函数，疲劳极限以试样失效或达到10%为特征7.周期。十7.选择周期值是为了限制测试时间，但这可能是最好的选择，也可能不是，这取决于应用程序。最大和最小应力或应变水平是通过R比率。的R比率是材料在测试过程中所经历的最小与最大应力或位移的比率。对于这个标准，样品可以在拉伸或压缩状态下加载。

概括：

复合材料的各种标准化力学试验，包括拉伸、压缩、弯曲、剪切和疲劳已经讨论。聚合物、纤维增强聚合物复合材料的这些力学性能很大程度上取决于聚合物、纤维、层和纤维-基体界面结合的性质。先进的工程设计和分析应用，如有限元分析，使用这些力学测试数据来表征材料。188金博体188金博体育论文的第二部分将介绍在Ansys、Abaqus、LS-Dyna、MSC-Marc等有限元分析软件中进行力学特性测试的方法。

参考资料：

1）Mark J.E.，聚合物手册的物理性质。斯普林克;2007年。

2）Coutney，T.H.，材料的机械行为，Waveland，1996。

3)材料力学性能，材料工程，2016,vol . 43, no . 1, no . 1

4）Adams D.O.，复合材料的拉伸试验：简单的概念，实践中难以实现

2015年精神执行。

5) Saba等，复合材料力学与物理测试综述，生物复合材料力学与物理测试，纤维增强复合材料和混杂复合材料，2019。

6）Bruno L.，通过光学技术进行复合材料的机械表征：综述，光学激光器ENG 2017。

7）Ian Mceneggart，复合材料测试：挑战和解决方案，JEC Europe - 2015年3月。

Baidu