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3D打印材料斷裂性能研究相關(guān)內(nèi)容

來源：杰呈3D打印發(fā)布時間：2025-11-17 11:30:48 瀏覽次數(shù)：0次

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3D打印材料沒有類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來描述3D打印材料的裂紋擴展長度的變化。通過之前的研究，可以發(fā)現(xiàn)由聚乳酸材料打印制作3D打印試件，經(jīng)三點彎曲試驗后試件表面形成的裂尖宏觀損傷區(qū)較大。所以試驗結(jié)束后，對于所有試件使用精度為0.01mm游標卡尺分別測量其裂紋擴展長度afic。由于裂尖損傷區(qū)的分布隨機性，使用離散參數(shù)β將裂紋擴展長度afic和結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Cch聯(lián)系起來，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)打印試件來研究3D打印材料的斷裂性能，使用的打印機型號為Raise 3D pro2 plus。

FDM打印成型過程

三維設(shè)計與文件上傳：在FDM打印成型過程中，用SolidWorks軟件對預(yù)想成型的試件模型進行三維設(shè)計，將設(shè)計好的文件以STL格式上傳到切片軟件ideaMaker中。
工藝參數(shù)設(shè)置：利用切片軟件對所要打印試件進行工藝參數(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)置將會進一步影響構(gòu)件的打印質(zhì)量以及力學(xué)性能。
分層切片處理：對該模型進行分層切片處理，將模型橫切成指定高度的非常薄的各個層，層層之間彼此堆疊。
格式轉(zhuǎn)換與打印：將完成切片處理的模型轉(zhuǎn)換為G-Code的格式供打印機讀取，以便在3D打印機中進行打印。

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個階段：

第一階段：將擠壓噴嘴和打印平臺加熱到所需溫度，直徑為1.75mm的PLA絲材通過送絲機構(gòu)進入擠壓噴嘴，開始由固態(tài)熔化為半流動態(tài)。
第二階段：打印噴嘴擠壓半流動狀態(tài)的PLA絲材，噴頭按照STL文件設(shè)定的軌跡在XY平面上來回移動，邊移動邊擠出半流動態(tài)的PLA絲材并將其沉積在打印平臺上，首先完成打印試件的外廓形狀，之后再對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行填充，直到一整層結(jié)構(gòu)打印完成。
第三階段：打印平臺上的試件的凝固成型。當完成該層結(jié)構(gòu)的打印后，打印平臺會根據(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，進行新一層的熔化和沉積，之后進行重復(fù)操作處理，直至整個零件制作完成。

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來研究3D打印試件的斷裂性能。

試件制備與處理

試件打印與支撐件剝離：打印參數(shù)設(shè)置下對設(shè)計的拉伸試件進行打印，打印完成后剝離支撐件和試件。
試件加固：試驗前，為了防止在拉伸試驗過程中在試件被夾持部位產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致拉伸試件在未達到最大拉伸荷載前在被夾持部位發(fā)生斷裂，也因為PLA材料屬于塑料制品，為了防止被夾持端部位在試驗過程中過早地被壓潰失效，對其通過粘貼四塊鋼板進行加固，鋼板尺寸為：長度30mm，寬度20mm，厚度1.5mm。
試件尺寸測量：拉伸試件可以被視為層狀結(jié)構(gòu)，通過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，對各個試件預(yù)制不同長度的初始裂紋之前，使用精度為0.01mm的游標卡尺對試件的長度L、高度W和厚度B進行了線性測量。測量發(fā)現(xiàn)每個試件長度、高度、厚度尺寸的數(shù)值均稍微偏大，而不是來自三維建模模型所設(shè)置的尺寸，這是由于3D打印機的圖層分辨率的影響。在所有后續(xù)計算中，使用的試件各個方向上的尺寸均為各自游標卡尺測量的真實數(shù)值。對所有試件各個方向的尺寸進行多次測量，記錄其平均值。
預(yù)制裂紋制作：測量結(jié)束后對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)刀片來制造切割試件中已存在的裂縫，引入一個更鋒利的裂紋形成裂紋尖端。
初始裂紋長度測量與記錄：為了使測量的數(shù)據(jù)更加精準，采用金相顯微鏡對每個試件的初始裂紋長度進行測量。因為實際操作產(chǎn)生的誤差，測量發(fā)現(xiàn)實際預(yù)制的初始裂紋長度通常和計劃預(yù)制的理論值有偏差，而且試件兩側(cè)的初始裂紋長度一般不相等。在試驗開始前，測量記錄每個試件兩側(cè)的實際初始裂紋長度，對其取平均值作為每個試件實際的初始裂紋深度a0，在之后的計算中也將使用實際的平均初始裂紋長度值。