增材制造聚酰胺的拉伸性能和疲劳性能

关键词:疲劳测试、拉伸测试、增材制造、3D 打印、尼龙、可持续聚合物、ElectroForce

EF037-CN

摘要

随着技术的进步,增材制造已经超越了原型制造这一利基应用领域,并越来越多地用于制造最终用途零件。了解增材制造零件的机械性能(包括疲劳寿命等时间依赖性行为)对于确保产品的性能和可靠性非常重要。本研究通过单调拉至失效拉伸试验和循环疲劳试验,评估了两种聚酰胺 [生物基聚酰胺-11(PA11)和石油基聚酰胺-12(PA12)] 激光烧结狗骨样品的机械性能和时间依赖性加载响应。 TA Instruments™ ElectroForce 3300 负载框架采用电磁电机和非接触式精密传感器技术,具有可执行单调测试和疲劳测试的多功能性。研究结果表明,PA11 的机械寿命和疲劳寿命均优于 PA12。当评估重复加载条件下的极限强度和耐久性非常重要时,可利用所介绍的方法对材料进行比较。

简介

增材制造(AM)已迅速发展为一种创新技术,可生产具有复杂三维(3D)几何形状的材料 [1]。增材制造最初被用作原型技术,但目前越来越多地将其用于最终用途零件的生产。激光烧结是一种常见的增材制造技术,该技术涉及使用粉末材料打印所需的几何形状。为了解最终产品的性能并研究增材制造所引起的任何潜在变化,有必要对材料的激光烧结样品进行机械表征。如疲劳寿命等时间和加载依赖性特征是确定增材制造零件材料的可靠性的重要指标。这些特征对于航空航天和生物医学等行业尤为重要,因为在这些行业中,全面了解材料的使用寿命对于避免灾难性故障至关重要 [2]。

增材制造工艺中常用的两种聚合物是聚酰胺 11(PA11)和聚酰胺 12(PA12),这两种聚合均属于尼龙聚合物家族。PA11 为生物基聚合物,源自蓖麻油,而 PA12 为石油基聚合物,PA12 在聚合物主链的酰胺基之间含有一个额外的亚甲基。PA11 具有理想的较低碳足迹,而 PA12 的额外亚甲基让两种材料呈现出不同的机械性能 [3] [4]。与 PA12 相比,PA11 通常具有更高的强度和韧性,但 PA12 的耐化学性更佳 [5]。有鉴于此,必须彻底了解 PA11 和 PA12 的性能特征,以权衡环境影响和材料的最终性能。

人们已对这两种聚合物的机械性能的差异进行了探讨,但对疲劳寿命的研究却少见报道 [4][6]。通常情况下,使用不同的仪器进行机械和疲劳测试,因此需要更多的投资和更大的空间。在本应用说明中,利用 ElectroForce 3300 负载框架对激光烧结 PA11 和 PA12 狗骨样品的准静态和循环响应进行了检测。同时还探讨了激光烧结工艺可能引起的变异。

实验

使用激光烧结增材制造工艺将市售 PA11 和 PA12 样品制成 V 型狗骨样品 [7]。图 1a 显示了 PA12(左)和 PA11(右)狗骨样品在失效测试前后的情况。

在 TA Instruments 的 ElectroForce 3300 上进行单调和疲劳测试。选择 3300 进行该工作是因为该仪器的多功能性,该仪器可执行测量伸长率和拉伸强度所需的慢速测试以及研究疲劳所需的快速循环测试。图 1b 显示了含拉伸测试配置的仪器。样品夹具和测试条件遵循 ASTM D638-22 的要求 [7]。对所有样品以 1.2 mm/min 的速率(应变速率为 0.0018 s-1)进行单调拉伸测试,直至样品失效。测试三个 PA11 和 PA12 样品,以检查机械性能的变异。

疲劳测试在 25、30、32.5、35 和 40 MPa 的最大应力水平下进行,频率为 25 Hz。根据拉至失效单调测试确定,强度更高的 PA11 样品的 40 MPa 应力水平约为极限强度的 80%。采用 0.1 的 R 比来维持样品的张力。选择较低的最大应力水平的原因,是系统研究材料寿命如何随应力的降低而增加。每个应力水平运行三个样品,以检查 PA11 和 PA12 零件间的变异性。使用型号为 One250CE/280 的 Epsilon ONE 光学引伸计监测应变。夹持器内的代表性狗骨样本如图 1c 所示。

Figure 1. (a) PA12 (left) and PA11 (right) Type V dog bone samples intact and after failure, (b) ElectroForce 3300 instrument with a tensile configuration and temperature control system attached, and (c) representative Type V dog bone clamped in tension for monotonic and fatigue testing.
Figure 1. (a) PA12 (left) and PA11 (right) Type V dog bone samples intact and after failure, (b) ElectroForce 3300 instrument with a tensile configuration and temperature control system attached, and (c) representative Type V dog bone clamped in tension for monotonic and fatigue testing.

Results and Discussion

单调测试

通过单调拉伸试验评估 PA11 和 PA12 的机械性能。图 2 显示了当样品以 0.0018 s-1 的速率应变时所产生的应力与应变曲线。在所有样品中,PA11 样品具有更高的极限拉伸强度(UTS)和更大的断裂伸长率。

表 1 和表 2 显示了 UTS 和断裂伸长率数值,以及三条曲线的平均值和标准差。

在使用粉末床熔融工艺生产 PA11 和 PA12 零件时,曾观察到 PA11 具有更高的强度和更大的伸长率 [3]。单调测试结果表明,与 PA12 相比,PA11 在不损失强度的情况下具有更大的拉伸能力。这使得 PA11 成为最终用途零件以及需要更高强度和韧性材料的应用领域的更好选择。

对样品进行一式三份测试为研究激光烧结工艺本身的潜在变异性提供了机会。激光烧结是一种粉末床熔融增材制造工艺,从可重复性的角度而言,该技术一直受到批评 [8]。在激光烧结中,变异通常源自粉末床特性、激光特性和工艺参数。表 1 显示断裂伸长率存在最大的变异,而两种材料的 UTS 保持一致。在图 2 中,PA11 和 PA12 样品各有一条曲线,与其他两个重复样品相比,该曲线的伸长程度明显更高,因此产生更大的标准偏差,如表 1 所示。增材制造工艺的不一致性会表现为机械性能的变异,这对于最终产品而言是不理想的。

Figure 2. Tensile test curves run in triplicate for PA11 and PA12 at a strain rate of 0.0018 s-1.
Figure 2. Tensile test curves run in triplicate for PA11 and PA12 at a strain rate of 0.0018 s-1.

表 1. PA11 的极限拉伸强度(UTS)和断裂伸长率(%),以及三次重复运行的平均值和标准差(σ)。

PA11 UTS(MPa) 伸长率(%)
1 49.24 44.76
2 49.40 54.24
3 49.87 41.87
均值 49.50 46.96
σ 0.33 6.47

表 2. PA12 的极限拉伸强度 (UTS)和断裂伸长率,以及三次重复运行的平均值和标准偏差(σ)。

PA12 UTS(MPa) 伸长率(%)
1 39.91 23.35
2 40.35 23.40
3 40.51 26.56
均值 40.25 24.44
σ 0.31 1.84

疲劳测试

单调测试已被广泛用于表征增材制造零件的机械性能。随着增材制造技术的应用日益广泛,了解最终零件的可靠性和预期使用寿命性能就显得尤为重要。这需要的表征不仅仅是进行简单、快速的单调拉伸测试,还需要对产品在预期应用中所经历的负荷和变形条件下进行长期评估。

对 PA11 和 PA12 样品进行了疲劳测试,以评估材料在恒定循环负荷下的坚固性。为说明这一测试,图 3 显示了其中一个 PA11 样品在 30 MPa 应力水平下循环加载至失效过程中的总位移与时间的关系。在从 0 到约 2800 秒(7×104 次循环)的整个实验时间内,样本从其原始位置的位移不断增加,表明样品长度在整个测试过程中逐渐增加。在试验即将结束时,即临近 2400 秒(6×104 次循环)前,位移开始以更快的速度增加。这种情况一直持续到材料失效为止,表现为材料断裂导致的位移突然急剧增加。

图 3 的插图显示了测试期间的 1 秒间隔,以查看材料在较短时间内的变化情况。所有测试均在 25 Hz 下进行。在这 1 秒的时间间隔内,材料暴露在 25 个具有明确振幅的正弦周期中,周期性地对材料施加 30 MPa 的应力。从两个不同的时间尺度观察该测试,可看出连续的短时间尺度变形可如何导致样本长度的大量增加,进而导致材料最终失效。

Figure 3. Sample displacement versus time of fatigue test on PA11 with a 25 Hz frequency at a stress level of 30 MPa. Inset shows a zoomed image of a 1 s time interval during the test.
Figure 3. Sample displacement versus time of fatigue test on PA11 with a 25 Hz frequency at a stress level of 30 MPa. Inset shows a zoomed image of a 1 s time interval during the test.
Figure 4. Maximum fatigue stress (S) versus fatigue life (N) (S/N) curves for PA12 (black) and PA11 (red) at stress levels of 40, 35, 32.5, 30, and 25 MPa. Dashed lines are best fit trendlines. The arrows indicate sample run-out at the 25 MPa stress level.
Figure 4. Maximum fatigue stress (S) versus fatigue life (N) (S/N) curves for PA12 (black) and PA11 (red) at stress levels of 40, 35, 32.5, 30, and 25 MPa. Dashed lines are best fit trendlines. The arrows indicate sample run-out at the 25 MPa stress level.

图 4 显示了应力水平为 40-25 MPa 时的 S/N 曲线(也称为 Woehler 曲线)。S/N 曲线绘制了循环应力(S)幅度与失效循环次数(N)的关系,有助于直观显示疲劳状态。在 25 MPa 压力下,所有样品均达到 107 次循环,这也是本研究确定的跳动循环极限。当应力水平导致跳动的样品时,该应力水平被认为低于耐受极限。

对于这两个样品,随着应力水平的增加,达到失效的循环次数均降低。在 30-40 MPa 的应力水平下,与 PA11 相比,PA12 达到失效的循环次数较低。使用 40-30 MPa 的数据为曲线创建最佳拟合趋势线;由于未出现失效,因此省略了25 MPa 级别的样品。在高应力水平下,达到失效的循环次数与几百次循环处于同一数量级。从趋势线可以看出,达到失效的循环次数的差异(ΔN=NPA11NPA12,图 4 中的蓝线)随应力水平的降低而增加。这一结果与单调数据一致,因为预计强度更大、延展性更高的 PA11 在循环加载下会更为坚固。

在每个应力水平上进行三次重复测试,可允许应用类似于单调测试的方式分析增材制造工艺的可重复性。PA12 S/N 曲线在每个应力水平上具有很小的数据分散度。然而,PA11 在 35 和 30 MPa 应力水平的数据中存在明显的差异。从单调数据中还观察到,与 PA12 相比,PA11 的 UTS 和断裂伸长率的标准偏差更大。这表明,PA11 在激光烧结增材制造工艺中可能会受到可重复性问题的影响,这表现为材料的机械和疲劳性能的变异。

本工作中观察到的变异性表明,应在应用前对激光烧结 PA11 零件进行综合评估。这将涉及在给定的应用应力水平下测试大量样品,从而建立更严格的后续疲劳极限置信水平。还应在 25 至 30 MPa 之间进行系统疲劳测试,以根据 25 MPa 应力水平导致的所有样品的跳动结果建立精确的耐久极限。此外,还应在测试的同时通过电子显微镜、X 射线衍射和热分析等直接和间接方法对材料进行进一步的表征,以确定该变异的微观结构根源。

结论

随着增材制造零件越来越广泛地应用于最终用途,有必要了解零件的机械性能和可靠性,以及制造过程可能产生的变异。在本说明中,使用 ElectroForce 3300 对 PA11 和 PA12 的机械和疲劳寿命特性进行了检测。事实证明,ElectroForce 3300 非常适合这些测量,仅使用一台设备即可应用多种测试方法进行机械和疲劳测试:

  • 单调拉伸测试表明,与 PA12 相比,PA11 具有优异的机械强度和延展性,且 UTS 和断裂伸长率更高。
  • 疲劳寿命测试表明,与 PA12 相比,PA11 在每个测试给定的应力水平下均具有更长的疲劳寿命循环次数。PA11 与 PA12 的生命周期增长间的差异随着压力水平的降低而增大。
  • 对每个样本进行多次迭代可评估增材制造工艺中零件设计的可重复性。

机械性能的变异(尤其是 PA11 机械性能的变异)表明,仍需要开展工作来克服困扰增材制造工艺的零件间变异性问题。根据机械和疲劳分析,PA11 是最终用途产品的首选聚合物,因为与 PA12 相比,PA11 可维持坚固耐用性,且具有更长的使用寿命。除机械性能考虑因素之外,与石油基 PA12 相比,生物来源生产的 PA11 的碳足迹也较低,因此从可持续发展的角度而言,PA11 显然是一种理想的材料选择。

参考文献

  1. G.N. Mhetre, V. S. Jadhav, S. P. Deshmukh and C. M. Thakar, “A Review on Additive Manufacturing Technology,” ECS Trans., vol. 107, p. 15355, 2022.
  2. S.S. Alghamdi, S. John, N. R. Choudhury and N. K. Dutta, “Additive Manufacturing of Polymer Materials: Progress, Promise, and Challenges,” Polymers, vol. 13, p. doi. org/10.3390/polym13050753, 2021.
  3. A.Salazar, A. Rico, J. Rodriguez, J. S. Escudero and F. M. de la Escalera Cutillas, “Monotonic loading and fatigue response of a bio-based polyamide PA11 and a pertol-based polyamide PA-12 manufactured by selective laser sintering,” European Polymer Journal, vol. 59, pp. 36-45, 2014.
  4. N.Lammens, M. Kersemans, I. De Baere and W. Van Paepegem, “On the visco-elasto-plastic response of additively manufactured polyamide-12 (PA-12) through selective laser sintering,” Polymer Testing, vol. 57, pp. 149-155, 2017.
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  7. A.D638-22, “Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics,” ASTM International, 2022.
  8. L.Dowling, J. Kennedy, S. O’Shaughnessy and D. Trimble, “A review of critical repeatability and reproducibility issues in powder bed fusion,” Materials and Design, vol. 186, p. 108346, 2020.
  9. V.Malmgren, “PA11 vs PA12-one atom different,” wematter, 01 2022.[在线]。网址:https://wematter3d.com/pa11-vs-pa12-one-atom-different.[访问时间:2023 年 5 月 5 日]。

致谢

本文由 TA Instruments 的 Mark Staub 博士撰写。

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