0引言
3D打印技术是根据所设计的模型通过3D打印设备逐层增加材料来制造三维产品的技术[1].随着3D打印技术的不断发展[2],其运用越来越广泛。对于汽车行业由于其能简化生产环节、缩短生产周期、加快汽车更新换代速度、满足消费者个性化消费的心理方面、汽车维修、应急处理突发事件等优势，在汽车行业逐步开始使用[3 - 4],其中3D打印工程塑料已经在汽车行业取得了一定的使用。但是鲜见3D打印工程塑料的力学性能研究，从而限制了其进一步作为结构件材料在汽车上的应用。对于工程塑料而言，一般不具有明显的各向异性，并且可以用弹塑性模型去描述它们的力学行为[5 - 8].由于加工方式的不同，3D打印工程塑料的力学特性必然与普通的工程塑料有所不同。在之前的研究中，文献 [9]研究了3D打印的PLA材料，认为PLA材料是脆性的并且在弹性阶段各向异性，文献 [10] 用3D打印材料时仍然将其当作各向同性材料的模型使用。本文通过3D打印设备按照不同的方向，以及不同的纤维直径打印。通过材料试验机测得其力学特性曲线，从而建立3D打印工程塑料的本构模型。本文将分析3D打印工程塑料的特殊力学特性，对3D打印材料的运用提出新的要求与可能性。研究将对3D打印材料在汽车行业的运用有着积极的作用。
1试验方法
1. 1 3D打印试件
工程塑料因为其强度高，热稳定性好，在汽车行业运用广泛。本文选取了ABS材料，并采用熔融沉积的方法进行3D打印。首先将ABS材料通过送料机供给，ABS在通过打印喷头时加热融化并挤出。挤出的材料在受冷时迅速固化，并且与已经固化的材料粘结，逐层堆积。在3D打印过程中，由于ABS是通过丝状物挤出，丝状物的排布方向可能会对材料的力学行为有着重要的影响。另外可以通过控制纤维的直径打印出不同纤维直径的样件。本文通过3D打印设备 （ 见图1） ,利用ABS工程塑料，按照不同的打印方向、打印纤维直径，打印出如图2所示的狗骨状试件。
1. 2拉伸试验
根据国家标准 （GB /T 1039-92） ,试件制成狗骨状试件，试件尺寸如图2（a） 所示。本文试验平台为INSTRON 5966材料试验平台。用试件夹头将试件两端夹紧后，控制试验机以2 mm/min的速度加载，这一加载速度可以认为是准静态加载，如图2（b） 所示。本试验采用位移传感器与力传感器分别测试件拉伸时的力和位移，其中，两传感器的放置位置均为上夹头。
上一节介绍了打印不同纤维大小和不同打印方向的试件。本文对这两种情况展开讨论，探究3D打印参数对材料特性的影响。为了保证试验的可靠性，同种试件重复3次试验。
2结果与讨论
2. 1 3D打印工程塑料的各向异性
工程塑料按照两种不同的打印方向制成，具有明显的各向异性。如图3所示，试件为横向 （ 垂直纤维方向） 打印的应力-应变曲线结果 （ 其中应力由力除以截面积，应变由拉伸位移除以标距得到）。结果显示试件载荷随着位移的增长而线性增加，在达到一定的位移后发生脆性断裂，材料表现出很强的脆性，可以认为3D打印工程塑料在横向表现出弹脆性材料的特性。并且所有试件断裂的位置在靠近夹具的位置，断口方向为0°方向，并且断口比较平整。
而对于竖向 （ 纤维方向） 打印的试件，材料的性能呈现出完全不一样的结果。首先材料具有明显的弹塑性特点，可承载能力明显高于横向打印的试件，试件的破坏载荷为横向打印试件的2. 5倍。同时由图3（b） 所示曲线将分为两段，分别为线弹性阶段、塑性软化阶段。在线弹性阶段载荷随着位移的增加而线性增加，而在软化阶段载荷随着加载位移的增加而降低。断裂发生在塑性阶段，断口方向同样 为0°方 向，断 口 处 较 为 平 整，如 图3（b）所示。
2. 2纤维直径对力学性能的影响
3D打印设备可以控制纤维的粗细，当纤维较粗时，3D打印的速度也会随之增快，但是打印精度却会随之降低。本文 讨论 了 纤 维 直 径 分 别 为0. 15,0. 2,0. 25,0. 3 mm纤维直径的力学性能。
在横向方向上如图4所示，4种试件在线弹性阶段的斜率几乎一样，但是失效应变却有着明显的差异，由图4（a） 可以看出，在纤维较小时试件会产生较小的失效应变，而在纤维较大时，失效应变增加。
在竖向方向上，所有纤维直径都显示出弹塑性的特性，在纤维直径等于0. 25时屈服强度和极限载荷有着明显的提高，纤维直径等于0. 3时破坏位移/应变是最大的。根据上述结果可以表明，在打印精度要求不是很高的部件时，可以尽量采用较粗的纤维，这样既可以保证较大的打印速度也可以保证较好的力学性能。
2. 3 3D打印工程塑料本构关系
根据前面的研究，纤维的直径对于3D打印工程塑料有着重要的影响，在建立材料模型时必须要考虑纤维直径的影响，本文针对纤维直径为0. 3 mm,建立本构模型。图5为材料的应力-应变曲线，可以看出横向和竖向的弹性模量几乎相等，在弹性阶段可以认为这种材料是各向同性的，杨氏模量Eiso=512. 26 MPa.在横向方向，应变达到0. 03则失效，而在竖向方向，纤维在达到应变为0. 05达到塑性阶段，应变达到0. 08时则会发生断裂。
在横向方向即垂直纤维方向，可以用线弹性模型去描述3D打印材料的力学行为，描述为：
σh= Ehεh, （1）
