3D打印試件是非均質(zhì)的，試件的幾何尺寸、預(yù)制初始裂紋長(zhǎng)度、試件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的差異以及虛擬裂紋長(zhǎng)度的隨機(jī)性，都會(huì)使得即使具有相同初始裂紋的試件的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間也存在一定的離散性。且所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)都位于上下兩條曲線包裹的95%區(qū)域之內(nèi)，而通過(guò)曲線擬合的方法不能得到拉伸強(qiáng)度值ft的上下邊界，不能很好地解釋出現(xiàn)離散點(diǎn)的原因。

3D打印技術(shù)可以將單一的燈絲材料加工成為幾何形狀復(fù)雜的零件實(shí)體。在3D打印試件的整個(gè)過(guò)程中，燈絲材料經(jīng)歷了從固態(tài)到半流動(dòng)狀態(tài)再回歸至固態(tài)的過(guò)程。3D打印過(guò)程中的不確定性，如孔隙及層間界面的不完全粘結(jié)均會(huì)造成復(fù)合結(jié)構(gòu)的斷裂失效。

3D打印試件層結(jié)構(gòu)之間的粘附性、層結(jié)構(gòu)中間特征尺寸和形狀和打印試件內(nèi)部的孔隙率等均與打印工藝參數(shù)相關(guān)。在打印過(guò)程中所做的所有決定都會(huì)通過(guò)影響試件的質(zhì)量進(jìn)一步影響試件的力學(xué)性能。經(jīng)3D打印技術(shù)制備試件是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，使用的工藝參數(shù)都將會(huì)影響絲間及層間的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而影響斷裂韌性和結(jié)構(gòu)完整性。因此，研究工藝參數(shù)對(duì)機(jī)械性能的影響是非常必要的。在切片軟件中設(shè)置不同的打印層厚、填充角度及填充結(jié)構(gòu)獲得不同的3D打印試件，制作出有著相同的幾何尺寸內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻截然不同的試件，來(lái)研究不同工藝參數(shù)對(duì)3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。

打印層厚對(duì)力學(xué)性能的影響

3D打印試件在切片軟件中會(huì)被處理為層狀結(jié)構(gòu)，一層層沿著試件的厚度方向進(jìn)行平行堆疊。打印層厚是指每一層的厚度，若層厚較小，要達(dá)到指定高度需要切割的層數(shù)就越多，層與層之間的界面數(shù)量越多，反之則反。界面數(shù)量的增多會(huì)影響試件整體的強(qiáng)度。

填充角度對(duì)力學(xué)性能的影響

3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)確實(shí)是非均質(zhì)的，對(duì)于3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)斷裂性能的研究不再適用于研究均質(zhì)材料的、各向同性結(jié)構(gòu)斷裂性能的研究方法。

在進(jìn)行單邊缺口三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)時(shí)，由于試件打印工藝的影響，沿著試件厚度方向，在試件邊緣存在珠狀界面結(jié)構(gòu)，使得靠近兩邊試件邊緣的結(jié)構(gòu)高于試件的中間結(jié)構(gòu)。當(dāng)試件上方承受載荷作用時(shí)，試件兩邊的珠狀界面先受載荷作用被局部壓潰產(chǎn)生塑性變形，之后整個(gè)試件在外載荷作用下發(fā)生準(zhǔn)脆性斷裂，經(jīng)歷線性段、非線性段至最終屈服。

• 填充角度為90°的層結(jié)構(gòu)：內(nèi)部絲材打印路徑與試件的受力方向垂直，試件受到載荷作用時(shí)承受載荷的為絲材本身，絲材受到剪應(yīng)力作用被橫向拉長(zhǎng)后發(fā)生層間斷裂，之后沿著跨層發(fā)生斷裂直至最終擴(kuò)展結(jié)束材料被拉斷。
• 填充角度為0°的層結(jié)構(gòu)：內(nèi)部絲材打印路徑與試件兩端受力方向平行，抵抗外部載荷作用主要靠?jī)?nèi)部絲材層與層之間的粘結(jié)強(qiáng)度，絲材本身承受載荷的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層間粘合力，因此，該0°填充角度打印的層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度相較于較弱。0°/90°填充方向打印的試件的裂紋擴(kuò)展路徑為豎向直線斷裂，裂紋沿著預(yù)裂紋的方向傳播。3D打印試件的填充角度不同，但其線性段幾乎重合。

填充結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響

切片軟件對(duì)3D打印試件設(shè)置不同的填充結(jié)構(gòu)，從而可以使得3D打印試件具有不同的中間結(jié)構(gòu)。填充結(jié)構(gòu)的不同會(huì)使得3D打印單邊缺口三點(diǎn)彎曲試件有著不同的裂尖損傷區(qū)及極限承載力，使得整個(gè)試件的力學(xué)性能發(fā)生改變。研究了蜂窩狀結(jié)構(gòu)的3D打印試件的力學(xué)性能。最后研究了不同3D打印填充結(jié)構(gòu)（直線狀結(jié)構(gòu)和蜂窩狀結(jié)構(gòu)）對(duì)3D打印試件斷裂性能的影響。

• 蜂窩狀結(jié)構(gòu)打印過(guò)程：與線狀結(jié)構(gòu)試件的打印不同，在蜂窩狀結(jié)構(gòu)試件的打印過(guò)程中，PLA絲材的走絲過(guò)程不再是直線，而是沿著一排正六邊形的蜂窩狀單元的外輪廓進(jìn)行走絲。具體走絲形式為：將一整排的蜂窩單元視作一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)中的蜂窩單元彼此相連，先對(duì)整體結(jié)構(gòu)的左半部分輪廓進(jìn)行打印，將左半部分輪廓結(jié)構(gòu)打印完成后用相同的形式再進(jìn)行結(jié)構(gòu)的右半部分輪廓結(jié)構(gòu)的打印。經(jīng)過(guò)該打印過(guò)程，整個(gè)蜂窩單元形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，且打印出的各個(gè)正六邊形蜂窩單元彼此緊湊相連，該結(jié)構(gòu)的走絲路徑只經(jīng)蜂窩單元的外部輪廓，而蜂窩單元內(nèi)部未被打印填充，整個(gè)試件呈現(xiàn)空心狀，試件的質(zhì)量較小。
• 蜂窩結(jié)構(gòu)拉伸試件斷裂情況：蜂窩結(jié)構(gòu)拉伸試件，斷裂基本發(fā)生在靠近試件兩夾緊端的位置，當(dāng)達(dá)到最大拉伸載荷后，試件最外側(cè)蜂窩單元結(jié)合界面薄弱處絲材受到拉應(yīng)力作用首先發(fā)生斷裂，之后組成試件中間結(jié)構(gòu)的絲材受剪應(yīng)力和拉應(yīng)力共同作用，在燈絲間結(jié)合面之間發(fā)生脫粘，燈絲本身受到拉應(yīng)力作用發(fā)生斷裂，最終，裂紋自兩端薄弱處向中間逐步擴(kuò)展，直至整個(gè)試件發(fā)生斷裂失效。觀察蜂窩狀3D打印拉伸試件的斷面形式，整個(gè)試件的斷裂是通過(guò)穿越某一層蜂窩單元中心發(fā)生的。
• 直線結(jié)構(gòu)拉伸試件斷裂情況：對(duì)于45°/135°的直線結(jié)構(gòu)拉伸試件，斷裂基本發(fā)生在試件中間位置，沿著45°/135°打印的填充角度發(fā)生斷裂；對(duì)于0°/90°的直線結(jié)構(gòu)拉伸試件，斷裂基本發(fā)生在靠近試件兩端位置，當(dāng)出現(xiàn)最大拉伸載荷后，試件直接橫向發(fā)生斷裂。
• 蜂窩狀結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展路徑：填充結(jié)構(gòu)為蜂窩狀的3D打印試件，蜂窩單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒(méi)有填充，主要靠?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)絲材界面間的粘合作用。位于裂紋尖端正上方的組成各個(gè)蜂窩單元外輪廓的絲材受到拉力作用變細(xì)變長(zhǎng)，使得蜂窩單元內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)面積增大。最終，組成蜂窩結(jié)構(gòu)燈絲界面受到載荷作用脫粘，燈絲在拉應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用下發(fā)生斷裂，開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)微裂紋之后徑直穿過(guò)蜂窩單元，整個(gè)裂紋擴(kuò)展路徑沿著豎向首先經(jīng)歷層間斷裂，之后是跨層斷裂，裂紋擴(kuò)展持續(xù)增長(zhǎng)至最終卸載停機(jī)。

基于邊界效應(yīng)模型（BEM）的研究

基于邊界效應(yīng)模型（BEM）對(duì)3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)的斷裂性能進(jìn)行研究，通過(guò)制作3D打印單邊缺口三點(diǎn)彎曲試件，對(duì)其預(yù)制不同長(zhǎng)度的初始裂紋并進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后通過(guò)對(duì)試件斷面進(jìn)行觀測(cè)確定3D打印試件的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Cch，基于BEM計(jì)算3D打印單邊缺口三點(diǎn)彎曲試件的拉伸強(qiáng)度f(wàn)t與直接拉伸試驗(yàn)得出的3D打印試件的拉伸強(qiáng)度f(wàn)t進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明BEM對(duì)于3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)斷裂性能研究的簡(jiǎn)便性。

上一篇：混凝土 3D 打印如何顛覆傳統(tǒng)建筑施工模式
下一篇：3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)等類(lèi)似的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)斷裂性能相關(guān)研究