基于3D打印的齿轮系设计与制作【原创含SW三维及6张CAD图带文献综述+外文翻译】
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基于3D打印的齿轮系设计与制作【含SW三维及6张CAD图带文献综述+外文翻译】
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外 文 翻 译（2018 届）外文题目 Effect of wood content in FDM filament on propertiesof 3D printed parts 译文题目 FDM 长丝中木材含量对 3D 打印部件性能的影响 外文出处 Materials Today Communications 14 (2018) 135-140 学 生 XXXX 学 院 XXXXXXXXXX 专 业 班 级 XXXXXXXXX 校内指导教师 XXX 专业技术职务 XXXXXX 校外指导老师 专业技术职务 二XX 年三月FDM 长丝中木材含量对 3D 打印部件性能的影响Mirko Kariza, Milan Serneka, Muro Obuinab, Manja Kitek Kuzmana,卢布尔雅那，生物技术学院，Jamnikarjeva 101，1000，斯洛文尼亚卢布尔雅那大学摘要:本文研究了 3D 打印材料中木材含量对 3D 打印部件性能的影响。生产使用了聚乳酸（PLA）的 6 根细丝，其具有从 0至 50不同含量的木材颗粒，并用于 3D 打印。本研究中使用的细丝和 3D 打印部件的密度随着木材含量的增加而略有下降。当添加 10的木材时，细丝的拉伸强度从 55MPa 增加到 57MPa，但是对于具有 50木材含量的细丝，木材含量的水平增加到 30MPa。没有添加木材的情况下，由丝线印刷的部件的表面更光滑，并且印刷部件在结构内没有空隙。随着木材含量的增加，表面变得更粗糙，存在更多的空隙，并且具有可见的木材颗粒簇（由于木材颗粒聚集和在打印机喷嘴中堵塞） 。 3D 打印部件中较高的木材含量降低了储能模量。用流变仪上的扭转载荷测量，但没有改变玻璃化转变温度。关键词：聚合物基质复合材料（PMCs） 、木、机械性能、物理特性（3D 打印） 介绍通常被称为 3D 打印的增材制造在过去的十年中已经有了很大的发展。与减法制造相比，它具有几个优点，特别是在无需特殊工具或模具的情况下生产复杂形状和产品的能力，使其成为开发原型或定制产品的理想之选1。在 3D 打印中有效利用原材料实现浪费较少或零浪费的制造2，这一点正变得越来越重要。生物可降解 3D 打印已经引起人们的兴趣，其中包括开发和测试环保材料和再生材料，包括木材，纤维素，糖和木质素1,3。对纤维，颗粒和纳米复合材料增强材料也有兴趣4，在过去的几年中，市场上出现了一些含有木材颗粒的材料。已经使用了几种用木材进行 3D打印的技术，包括熔融沉积模型（FDM） ，注射粉末印刷5 以及液/浆沉积建模6。木塑复合材料（WPC）行业也在产品中使用天然材料。 WPC 是由再循环或原始塑料和木材颗粒制成的复合材料。它们被用于户外装饰，栏杆，围栏，景观木材，覆盖层和壁板，公园长椅，成型和装饰，门窗框和室内家具7。 WPC 和 3D 打印都挤出与木颗粒复合的熔融热塑性聚合物。 WPC 加工技术通过模具将混合物挤出成一定的轮廓具有固定且相对简单的形状.FDM 通过圆形喷嘴挤出混合物并形成具有受控制的层状材料沉积的形状。在设备的加工参数，挤压过程中的压力以及挤压后的冷却/硬化条件方面也存在差异。残余木材颗粒价格低是使用 WPC 的原因之一，这也限制了成本更高的热塑性聚合物的数量。使用天然材料如木材有助于降低石油基塑料的使用量，并减少对环境的影响7。这些好处也延伸到 3D 印刷材料。通过聚合物，填料和添加剂的正确组合，可以实现 WPC 和 3D 印刷材料的各种性能水平。例如，研究人员指出，在弯曲应力和拉伸强度的情况下，山毛榉木屑可以起到增强作用。木屑的加入降低了木塑复合材料的密度，尽管脆性增加，为玻璃纤维等合成填料增强的复合材料提供了一种方便，低成本的替代方法8。木材对 WPC 性能的影响取决于木材颗粒性质，尺寸分布和与热塑性塑料相容性等几个因素7 。在热塑性塑料中使用木材填料可能会随着改进的复合技术和允许使用高填料/增强材料含量的新偶联剂的发展而增加7 。WPC 可以用作修改过的 3D 打印机上的 3D 打印材料。关键是将木材磨成适当大小的细度和质地的颗粒，使其可以混合成聚合物1。在 3D 打印中，木材颗粒的尺寸也受到打印喷嘴的限制直径。最常用的 3D 打印聚合物有：丙烯腈丁二烯苯乙烯（ ABS） ，聚乳酸（PLA） ，以及不同的混合物，如 PLA 和聚羟基脂肪酸酯（PHA） 。由于生物材料和 PLA 基质之间良好的界面结合，PLA 生物复合材料的细丝可用于 3D 打印。良好的界面结合已经被发现与各种天然材料，如可溶性干燥酒糟，泡桐木，奥沙橙木9。研究表明，生物复合材料的拉伸强度比纯 PLA 要低得多 9，但在大多数情况下，杨氏模量（MOE）和断裂伸长率（ELO）与净 PLA 相当。生物复合材料拉伸强度值的降低是典型的，因为疏水性 PLA 与亲水性天然材料之间的界面结合差。在这些情况下，应使用添加剂和加工技术来改善材料性能9。可以使用聚合物或木材颗粒的物理或化学改性或通过使用偶联剂来改进复合材料的聚合物和木材组分之间的相容性。这种复合材料的最终性能很大程度上取决于复合过程和加工条件10。以往的研究结果表明，3D 打印部件的力学性能取决于打印图案和打印风格。与坚固的建筑风格相比，具有网状结构的样本具有更高的储能模量11。高环境温度也会由于聚合物软化而降低印刷部件的机械性能。在用网状结构印刷的样品中，可能存在空隙，可能存在高应力集中的尖锐裂纹尖端，从而导致断裂12 或降低动态弯曲强度13 。来自不同植物的天然聚合物也可用于 3D 打印14 。使用这些聚合物的印刷材料与传统的商业塑料相比显示出较低的机械性能，但是通常对于所需的应用是足够的，并且可以通过添加添加剂，增塑剂或者改变制造参数来增加机械性能。当在复合材料中使用纤维时，它们的取向对于最终产品性质是重要的。在 FDM 3D 打印中，木纤维取向遵循丝的打印方向，而丝间的相互作用可被认为是打印材料的最薄弱环节。木材的一些特殊性质也是由于它们的各向异性吸湿性能而具有高膨胀比的木塑复合材料15。在设计新型无源 hygro-morph 产品时，吸湿性能可以变成一种优势，在这种产品中，我们可以通过遵循 4D 印刷的概念，为生物复合材料生成可编程的水分驱动功能 15。过去二十年来，由于环保意识和国际绿色技术需求，热塑性行业一直试图减少对石油燃料和产品的依赖。使用天然纤维代替传统的增强材料，如玻璃纤维，碳和滑石，具有密度低，隔热性和机械性能好，工具磨损少，可用性不受限制，价格低廉和可生物降解等多种优点16 。与传统的有机增强材料和填料相比，天然纤维还具有经济和环保的优点。2 材料使用五种具有不同木质含量的 3D 打印细丝和两种常用商业细丝（不含木材颗粒） 。在细丝中使用的木材颗粒通过在实验室研磨机（Retsch ZM 200）中碾磨山毛榉木材（Fagus sylvatica L.）而制备。然后将木材颗粒通过不同的筛网筛分，并且仅使用穿过具有 0.237mm开口的筛网的颗粒来生产细丝。没有测量颗粒的粒度分布和颗粒比例，因为它们可以显着影响复合材料的性能，所以将是进一步研究的一部分。使用的热塑性塑料是 PLA Ingeo TM 2003D（NatureWorks，Blair，NE）颗粒形式。在制备混合物之前将颗粒和木颗粒在实验室干燥器中干燥。用不同的木材含量和一种对照长丝制备了五种不同的木材：木材含量为 0，10，20， 30，40和 50。首先将木颗粒和 PLA 颗粒混合并造粒以用于随后的处理。然后使用单螺杆长丝 Noztek-pro 挤出机（Noztek，Shoreham，UK）挤出木-PLA 颗粒以生产长丝。长丝厚度设定为1.75mm，但最终厚度在 1.45mm 和 1.75mm 之间变化。两种市面销售的无木颗粒的长丝是 Z-ABS 长丝（Zortrax S.A.，Poland）和 PLA PrimaValue 长丝（ 3D Prima，瑞典） 。这两种单丝的物理，机械和流变特性用与其他单丝相同的方法进行了初步研究，并与我们的单丝比较（表 1） 。使用 Zortrax M200 3D 打印机（ Zortrax，Poland）打印我们的测试样品。 ABS 的印刷温度为 275，PLA 丝为 230 。喷嘴的开口为 0.4mm，印刷层的厚度为 0.19mm。所有细丝都印有尺寸为 40 毫米12 毫米 4 毫米的相同 3D 模型。该模型由底部，顶部和侧面上的固体层制成，但内部是网状结构（实心填充设置：正方形尺寸 1.25mm，线厚度 0.4mm） 。3.方法通过测量尺寸和质量来确定长丝和 3D 打印部件的密度。测量每种材料的五个样品并确定平均值。在 Zwick-Roel Z005 万能试验机上测试长丝的拉伸强度。测量每种材料的五个样品并确定平均值。使用 10mm / min 的测试速度。数码相机和显微镜被用来捕获 3D 打印部件和灯丝的表面和边缘在不同磁场下的图像。使用 TA Instruments Ares-G2 流变仪测定 3D 印刷部件的流变特性。扭转夹具被用来将样品夹在流变仪中并使用振荡扭转加载。对每个样品进行两次测试：幅度扫描和温度斜坡测试。对每种材料测试两个样品。使用振幅扫描来测量材料与不同幅度加载的反应。该测试中的应变从 110-3增加到材料的线性粘弹性区域（LVR）的末端。 LVR 的结束被确定为初始储能模量的 5下降。表 1 本研究中使用的长丝的特性LVR 被定义为与应力变化相对应的区域。应变（应变）与机械输入（应力）成正比，聚合物没有改变，反应反映了聚合物的结构和组织17 。比例极限是应力和应变之间的关系不再是线性的点。超出比例极限的点可能导致材料中不可逆的物理变化18。如果幅度在所使用的材料的 LVR 内适当选择，则材料结构保持完整并且不会永久变形19。除了了解粘弹性特性之外，机械分析还可以提供有关材料与其他材料相容性的信息。例如，木材表面与粘合剂或涂料之间的相容性17 。在进一步的研究中使用的应变水平应该在材料的 LVR 中，并且尽可能大以获得最高的响应材料加载。基于幅度扫描的结果，我们选择了 0.4的应变率用于随后的温度斜坡测试。对于接近线性区域末端的所有材料选择该应变速率，并在进一步的测试中给出良好的结果。在相同的样品上进行温度斜坡测试，温度范围为 30-110，加热速率为 10/ 分钟。振荡负载应变为 0.4，加载频率为 1Hz。在温升测试过程中，我们测量了材料在环境温度升高时对材料的响应。玻璃化转变温度可以由 tan 曲线确定。 Tan 是损耗模量与储能模量的比率，并且是材料的能量耗散的量度。棕褐色的高峰 曲线表示玻璃化转变温度的温度。图长丝和印刷的部分密度图 细丝的拉伸强度4 结果和讨论4.1 细丝和 3D 打印部件的属性随着木材含量的增加，细丝的密度下降（图 1） 。由于 PLA 的密度为 1.24g / cm 3（制造商数据） ，山毛榉木的密度约为 0.65g / cm 3，所以这是预期的。所以加入木材会降低丝条的密度。这些值与商用长丝相当，具有 1.25g / cm 3（ PLA 长丝）和 1.06g / cm 3（ABS 长丝） （表 1） 。3D 打印部件的结构与顶部/底部和侧面上的三个完整层相同，中间是网状结构。 但是，3D 打印部件的质量和密度各不相同。 密度最高的印刷部件使用长丝而不添加木材（0.63 g / cm3） 。 木材含量为 10和 20的样品密度降低到 0.52 g / cm3。 密度最低的是木材密度为 3050，密度为 0.48 g / cm3 的样品。 木材含量为 10和 20的样品密度降低了 17，而木材含量为 30到 50的样品密度降低了 24。表 2 3D 打印零件的曲面（左） ，曲面（中）和边（右）的外观造成这些差异的原因是木材的密度较低，而长丝材料的总量（木材和聚合物）呈现在3D 打印部件中。具有较高木材含量的长丝不能均匀地流过喷嘴，并经常堵塞，导致未被均匀填充材料的印刷不好的部分。长丝直径也有细微差别，这改变了挤出到印刷部件的材料量。 在选定的印刷速度下，被挤出的材料的数量影响到先前沉积的材料的印记，从而影响印刷的线和层之间的连接（接触面积） ，并因此影响印刷部分的强度。本研究并没有考察木材颗粒与 PLA 基体之间的界面，但是可以使用不同的添加剂来改善粘合界面和加工。当木材添加量为 10时，单丝的拉伸强度从 55 MPa 增加到 57 MPa（图 2） ，而木材含量为 50的单丝的木材含量高于 30 MPa。加入 10的木材时为 57 MPa（图 2） ，但随着加入量的增加而降低木材含量为 30，木材含量为 50的长丝。 丝的弹性模量具有稍微不同的趋势。 没有木材的控制丝具有 3.27GPa 的弹性模量（ MOE）值。 随着 20的木材含量增加到 3.94 GPa，这个值增加。 进一步添加木材导致 MOE 值降低，对于含木量为 50的样品降低至 3.00GPa。4.2 3D 打印部件表面的视觉差异未填充的 PLA 颗粒没有添加颜色，并且来自该丝的 3D 打印部分几乎是透明的（表 2） 。随着木材颗粒的添加，长丝和 3D 印刷部件变得不透明并且表面变得与中密度纤维板（MDF）的表面相似。 没有添加木材的 PLA 表面形成的表面光滑且没有空隙，但随着木材含量的增加，其变得更粗糙，更多孔，并且具有可见的木材颗粒簇。 带有 30至 50木材颗粒（表 2）的印刷部分边缘存在的黑点是由于堵塞和不规则的流经喷嘴而导致材料未被沉积的空隙。 作为润滑剂的添加剂，更精确的温度调节和挤出速度控制将需要改善表面质量。 这种不规则的表面也导致了由于不能有效地传递载荷的粘合差的木材颗粒而导致的机械性能下降。4.3 流变特性木材含量为 20的样品表现出最高的 LVR 极限应变（0.996） （图 3） ，含有 50木材的样品具有最低的 LVR 极限应变（0.315） 。其余 LVR 极限应变值与商业 PLA（0.63 ）和 ABS（0.79 ） （表 1）的印刷部件相当。储能模量（G）是样品弹性行为的量度。 Gof 商业上可获得的 PLA 丝的印刷部分在0.67GPa 处是最高的。由本研究中生产的不含木材的 PLA 细丝印刷的部件显示较小的储能模量（0.59GPa） 。木材颗粒的添加减少了 G。添加 10至 20的木材使 G降低了 33。增加木材含量降低了 G，以 50木材含量（0.26GPa）制得的样品的 G降低了 56。储存模量较低的原因在于较小直径的细丝，导致 3D 印刷部件中的材料较少，并且由于木材颗粒的堵塞和聚集而导致非熔合材料。与 PLA 相比，印刷的 ABS 部件表现出较低的模量（0.45GPa） （表 1）20，但仍高于用充满木材的长丝印刷的部件。温度扫描测试（图 4）显示了由于从 30加热到 110，3D 打印部件的行为。材料保持其强度，直到达到玻璃化转变温度，其中储能模量在几十年内迅速降低。 3D 打印的零件然后失去力量变得柔软，随着温度的升高而变形。印刷的 ABS 部件在 100C 以上的最高温度下软化（表 1） 。由 ABS 打印的零件可以在高达 90C 的温度下使用，因为它们在高温下保持其强度。从 PLA 打印的部件在 60开始软化（图 4） 。添加了木材的部件在 60附近也软化，但在其玻璃化转变温度之前具有较低的储能模量。木材含量较高的部分玻璃化转变温度后的储能模量比纯 PLA 高。木材颗粒可能保持了这个储能模量的一部分。测量结果显示，加入木材时玻璃化转变温度没有变化，在 65和 66之间。 该结构的主要阶段是在 66软化的 PLA 聚合物基体，较小的木相对加热过程中的材料性能几乎没有影响。5 结论结果表明，木材颗粒可以用作 FDM 3D 打印材料的组分。由于与 PLA 相比木材的密度较低，添加到细丝中的木材颗粒降低了细丝和 3D 印刷部件的密度。当木材添加量为 10时，单丝的拉伸强度从 55MPa 略微增加到 57MPa，而对于木材含量为 50的单丝，木材含量增加到 30MPa，单丝拉伸强度下降。添加的木材颗粒含量较低，纤维稍微增强到 10，但木材添加量较高时，抗拉强度降低。由于样本量小，标准偏差大，结果并不显着。没有添加木材的 PLA 印刷部件的表面光滑且没有空隙，但随着木材含量的增加，其变得更粗糙，更多孔，并且具有可见的木质颗粒簇。这些非固体/融合结构有助于降低 3D 打印部件的机械性能。木材颗粒的添加降低了 3D 打印部件的扭转储能模量。测量结果显示，加入木材后，玻璃化转变温度没有明显变化，对于本研究中生产的长丝来说，其玻璃化转变温度在 65和 66之间，因为所有长丝的主要基质（PLA）材料是相同的。需要进一步研究不同的木材颗粒或纤维（木材种类，颗粒大小，长径比，颗粒表面处理）和印刷参数（温度，喷嘴直径，精确进给速度调节） ，以优化 3D 打印在性能和性能上与那些使用没有木材的商用长丝相当的部件。致谢作者感谢斯洛文尼亚研究机构
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