3D打印材料沒(méi)有類(lèi)似于混凝土材料中骨料一樣的結(jié)構(gòu)單元，因此引入材料的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Cch來(lái)描述3D打印材料的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度的變化。通過(guò)之前的研究，可以發(fā)現(xiàn)由聚乳酸材料打印制作3D打印試件，經(jīng)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后試件表面形成的裂尖宏觀損傷區(qū)較大。所以試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)于所有試件使用精度為0.01mm游標(biāo)卡尺分別測(cè)量其裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度afic。由于裂尖損傷區(qū)的分布隨機(jī)性，使用離散參數(shù)β將裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度afic和結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Cch聯(lián)系起來(lái)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，β = 1.5最合適。

3D打印技術(shù)基礎(chǔ)

3D打印技術(shù)中最常用的是熔融沉積制造技術(shù)（FDM）（非金屬打印技術(shù)）和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）（金屬打印技術(shù)）。本研究以FDM技術(shù)為基礎(chǔ)打印試件來(lái)研究3D打印材料的斷裂性能，使用的打印機(jī)型號(hào)為Raise 3D pro2 plus。

FDM打印成型過(guò)程

1. 三維設(shè)計(jì)與文件上傳：在FDM打印成型過(guò)程中，用SolidWorks軟件對(duì)預(yù)想成型的試件模型進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)好的文件以STL格式上傳到切片軟件ideaMaker中。
2. 工藝參數(shù)設(shè)置：利用切片軟件對(duì)所要打印試件進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)置，包括填充角度、打印速度、打印層厚、打印溫度以及填充結(jié)構(gòu)等。打印參數(shù)的設(shè)置將會(huì)進(jìn)一步影響構(gòu)件的打印質(zhì)量以及力學(xué)性能。
3. 分層切片處理：對(duì)該模型進(jìn)行分層切片處理，將模型橫切成指定高度的非常薄的各個(gè)層，層層之間彼此堆疊。
4. 格式轉(zhuǎn)換與打印：將完成切片處理的模型轉(zhuǎn)換為G-Code的格式供打印機(jī)讀取，以便在3D打印機(jī)中進(jìn)行打印。

FDM技術(shù)工作原理

FDM技術(shù)以PLA絲材為原材料，根據(jù)工作原理可分為熔融、沉積和成型這3個(gè)階段：

• 第一階段：將擠壓噴嘴和打印平臺(tái)加熱到所需溫度，直徑為1.75mm的PLA絲材通過(guò)送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)入擠壓噴嘴，開(kāi)始由固態(tài)熔化為半流動(dòng)態(tài)。
• 第二階段：打印噴嘴擠壓半流動(dòng)狀態(tài)的PLA絲材，噴頭按照STL文件設(shè)定的軌跡在XY平面上來(lái)回移動(dòng)，邊移動(dòng)邊擠出半流動(dòng)態(tài)的PLA絲材并將其沉積在打印平臺(tái)上，首先完成打印試件的外廓形狀，之后再對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，直到一整層結(jié)構(gòu)打印完成。
• 第三階段：打印平臺(tái)上的試件的凝固成型。當(dāng)完成該層結(jié)構(gòu)的打印后，打印平臺(tái)會(huì)根據(jù)STL文件的設(shè)定沿著Z軸下降一定的高度，噴嘴也隨之下降，進(jìn)行新一層的熔化和沉積，之后進(jìn)行重復(fù)操作處理，直至整個(gè)零件制作完成。

在打印好的試件中，往往可以觀察到在相鄰絲材之間存在宏觀的界面孔隙，這是由于在打印過(guò)程中燈絲之間較弱的粘附性，層與層之間不完全重疊或同層打印相鄰燈絲之間的不完全重疊。因其制造工藝，3D打印試件是典型的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，采用BEM來(lái)研究3D打印試件的斷裂性能。

試件制備與處理

1. 試件打印與支撐件剝離：打印參數(shù)設(shè)置下對(duì)設(shè)計(jì)的拉伸試件進(jìn)行打印，打印完成后剝離支撐件和試件。
2. 試件加固：試驗(yàn)前，為了防止在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中在試件被夾持部位產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致拉伸試件在未達(dá)到最大拉伸荷載前在被夾持部位發(fā)生斷裂，也因?yàn)镻LA材料屬于塑料制品，為了防止被夾持端部位在試驗(yàn)過(guò)程中過(guò)早地被壓潰失效，對(duì)其通過(guò)粘貼四塊鋼板進(jìn)行加固，鋼板尺寸為：長(zhǎng)度30mm，寬度20mm，厚度1.5mm。
3. 試件尺寸測(cè)量：拉伸試件可以被視為層狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)層層疊加形成最終的試件。在試件打印完成后，分離支撐件和所需試件，對(duì)各個(gè)試件預(yù)制不同長(zhǎng)度的初始裂紋之前，使用精度為0.01mm的游標(biāo)卡尺對(duì)試件的長(zhǎng)度L、高度W和厚度B進(jìn)行了線性測(cè)量。測(cè)量發(fā)現(xiàn)每個(gè)試件長(zhǎng)度、高度、厚度尺寸的數(shù)值均稍微偏大，而不是來(lái)自三維建模模型所設(shè)置的尺寸，這是由于3D打印機(jī)的圖層分辨率的影響。在所有后續(xù)計(jì)算中，使用的試件各個(gè)方向上的尺寸均為各自游標(biāo)卡尺測(cè)量的真實(shí)數(shù)值。對(duì)所有試件各個(gè)方向的尺寸進(jìn)行多次測(cè)量，記錄其平均值。
4. 預(yù)制裂紋制作：測(cè)量結(jié)束后對(duì)三組試件分別制作多種尺寸的預(yù)制裂紋缺口深度。然后使用手術(shù)刀片來(lái)制造切割試件中已存在的裂縫，引入一個(gè)更鋒利的裂紋形成裂紋尖端。
5. 初始裂紋長(zhǎng)度測(cè)量與記錄：為了使測(cè)量的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，采用金相顯微鏡對(duì)每個(gè)試件的初始裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)閷?shí)際操作產(chǎn)生的誤差，測(cè)量發(fā)現(xiàn)實(shí)際預(yù)制的初始裂紋長(zhǎng)度通常和計(jì)劃預(yù)制的理論值有偏差，而且試件兩側(cè)的初始裂紋長(zhǎng)度一般不相等。在試驗(yàn)開(kāi)始前，測(cè)量記錄每個(gè)試件兩側(cè)的實(shí)際初始裂紋長(zhǎng)度，對(duì)其取平均值作為每個(gè)試件實(shí)際的初始裂紋深度a0，在之后的計(jì)算中也將使用實(shí)際的平均初始裂紋長(zhǎng)度值。

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