3D打印试件断裂性能相关研究

3D打印试件是非均质的，试件的几何尺寸、预制初始裂纹长度、试件内部微观结构的差异以及虚拟裂纹长度的随机性，都会使得即使具有相同初始裂纹的试件的数据点之间也存在一定的离散性。且所有的数据点都位于上下两条曲线包裹的95%区域之内，而通过曲线拟合的方法不能得到拉伸强度值ft的上下边界，不能很好地解释出现离散点的原因。

3D打印技术可以将单一的灯丝材料加工成为几何形状复杂的零件实体。在3D打印试件的整个过程中，灯丝材料经历了从固态到半流动状态再回归至固态的过程。3D打印过程中的不确定性，如孔隙及层间界面的不完全粘结均会造成复合结构的断裂失效。

3D打印试件层结构之间的粘附性、层结构中间特征尺寸和形状和打印试件内部的孔隙率等均与打印工艺参数相关。在打印过程中所做的所有决定都会通过影响试件的质量进一步影响试件的力学性能。经3D打印技术制备试件是一个复杂的过程，使用的工艺参数都将会影响丝间及层间的结构强度，从而影响断裂韧性和结构完整性。因此，研究工艺参数对机械性能的影响是非常必要的。在切片软件中设置不同的打印层厚、填充角度及填充结构获得不同的3D打印试件，制作出有着相同的几何尺寸内部结构却截然不同的试件，来研究不同工艺参数对3D打印复合结构力学性能的影响。

打印层厚对力学性能的影响

3D打印试件在切片软件中会被处理为层状结构，一层层沿着试件的厚度方向进行平行堆叠。打印层厚是指每一层的厚度，若层厚较小，要达到指定高度需要切割的层数就越多，层与层之间的界面数量越多，反之则反。界面数量的增多会影响试件整体的强度。

填充角度对力学性能的影响

3D打印复合结构确实是非均质的，对于3D打印复合结构断裂性能的研究不再适用于研究均质材料的、各向同性结构断裂性能的研究方法。

在进行单边缺口三点弯曲试验时，由于试件打印工艺的影响，沿着试件厚度方向，在试件边缘存在珠状界面结构，使得靠近两边试件边缘的结构高于试件的中间结构。当试件上方承受载荷作用时，试件两边的珠状界面先受载荷作用被局部压溃产生塑性变形，之后整个试件在外载荷作用下发生准脆性断裂，经历线性段、非线性段至最终屈服。

• 填充角度为90°的层结构：内部丝材打印路径与试件的受力方向垂直，试件受到载荷作用时承受载荷的为丝材本身，丝材受到剪应力作用被横向拉长后发生层间断裂，之后沿着跨层发生断裂直至最终扩展结束材料被拉断。
• 填充角度为0°的层结构：内部丝材打印路径与试件两端受力方向平行，抵抗外部载荷作用主要靠内部丝材层与层之间的粘结强度，丝材本身承受载荷的能力远远大于层间粘合力，因此，该0°填充角度打印的层结构的强度相较于较弱。0°/90°填充方向打印的试件的裂纹扩展路径为竖向直线断裂，裂纹沿着预裂纹的方向传播。3D打印试件的填充角度不同，但其线性段几乎重合。

填充结构对力学性能的影响

切片软件对3D打印试件设置不同的填充结构，从而可以使得3D打印试件具有不同的中间结构。填充结构的不同会使得3D打印单边缺口三点弯曲试件有着不同的裂尖损伤区及极限承载力，使得整个试件的力学性能发生改变。研究了蜂窝状结构的3D打印试件的力学性能。最后研究了不同3D打印填充结构（直线状结构和蜂窝状结构）对3D打印试件断裂性能的影响。

• 蜂窝状结构打印过程：与线状结构试件的打印不同，在蜂窝状结构试件的打印过程中，PLA丝材的走丝过程不再是直线，而是沿着一排正六边形的蜂窝状单元的外轮廓进行走丝。具体走丝形式为：将一整排的蜂窝单元视作一个整体结构，此结构中的蜂窝单元彼此相连，先对整体结构的左半部分轮廓进行打印，将左半部分轮廓结构打印完成后用相同的形式再进行结构的右半部分轮廓结构的打印。经过该打印过程，整个蜂窝单元形成闭环结构，且打印出的各个正六边形蜂窝单元彼此紧凑相连，该结构的走丝路径只经蜂窝单元的外部轮廓，而蜂窝单元内部未被打印填充，整个试件呈现空心状，试件的质量较小。
• 蜂窝结构拉伸试件断裂情况：蜂窝结构拉伸试件，断裂基本发生在靠近试件两夹紧端的位置，当达到最大拉伸载荷后，试件最外侧蜂窝单元结合界面薄弱处丝材受到拉应力作用首先发生断裂，之后组成试件中间结构的丝材受剪应力和拉应力共同作用，在灯丝间结合面之间发生脱粘，灯丝本身受到拉应力作用发生断裂，最终，裂纹自两端薄弱处向中间逐步扩展，直至整个试件发生断裂失效。观察蜂窝状3D打印拉伸试件的断面形式，整个试件的断裂是通过穿越某一层蜂窝单元中心发生的。
• 直线结构拉伸试件断裂情况：对于45°/135°的直线结构拉伸试件，断裂基本发生在试件中间位置，沿着45°/135°打印的填充角度发生断裂；对于0°/90°的直线结构拉伸试件，断裂基本发生在靠近试件两端位置，当出现最大拉伸载荷后，试件直接横向发生断裂。
• 蜂窝状结构裂纹扩展路径：填充结构为蜂窝状的3D打印试件，蜂窝单元内部结构没有填充，主要靠内部结构丝材界面间的粘合作用。位于裂纹尖端正上方的组成各个蜂窝单元外轮廓的丝材受到拉力作用变细变长，使得蜂窝单元内部填充结构面积增大。最终，组成蜂窝结构灯丝界面受到载荷作用脱粘，灯丝在拉应力和剪应力共同作用下发生断裂，开始出现细微裂纹之后径直穿过蜂窝单元，整个裂纹扩展路径沿着竖向首先经历层间断裂，之后是跨层断裂，裂纹扩展持续增长至最终卸载停机。

基于边界效应模型（BEM）的研究

基于边界效应模型（BEM）对3D打印复合结构的断裂性能进行研究，通过制作3D打印单边缺口三点弯曲试件，对其预制不同长度的初始裂纹并进行试验。试验结束后通过对试件断面进行观测确定3D打印试件的结构特征参数Cch，基于BEM计算3D打印单边缺口三点弯曲试件的拉伸强度ft与直接拉伸试验得出的3D打印试件的拉伸强度ft进行对比，说明BEM对于3D打印复合结构断裂性能研究的简便性。

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