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

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)雜的零件實體。在3D打印試件的整個過程中，燈絲材料經(jīng)歷了從固態(tài)到半流動狀態(tài)再回歸至固態(tài)的過程。3D打印過程中的不確定性，如孔隙及層間界面的不完全粘結(jié)均會造成復(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)。在打印過程中所做的所有決定都會通過影響試件的質(zhì)量進一步影響試件的力學(xué)性能。經(jīng)3D打印技術(shù)制備試件是一個復(fù)雜的過程，使用的工藝參數(shù)都將會影響絲間及層間的結(jié)構(gòu)強度，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)對機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，來研究不同工藝參數(shù)對3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。

打印層厚對力學(xué)性能的影響

3D打印試件在切片軟件中會被處理為層狀結(jié)構(gòu)，一層層沿著試件的厚度方向進行平行堆疊。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)量的增多會影響試件整體的強度。

填充角度對力學(xué)性能的影響

3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)確實是非均質(zhì)的，對于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。

在進行單邊缺口三點彎曲試驗時，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，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)力作用被橫向拉長后發(fā)生層間斷裂，之后沿著跨層發(fā)生斷裂直至最終擴展結(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內(nèi)部絲材層與層之間的粘結(jié)強度，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)的強度相較于較弱。0°/90°填充方向打印的試件的裂紋擴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)對力學(xué)性能的影響

切片軟件對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)的不同會使得3D打印單邊缺口三點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3D打印試件斷裂性能的影響。

• 蜂窩狀結(jié)構(gòu)打印過程：與線狀結(jié)構(gòu)試件的打印不同，在蜂窩狀結(jié)構(gòu)試件的打印過程中，PLA絲材的走絲過程不再是直線，而是沿著一排正六邊形的蜂窩狀單元的外輪廓進行走絲。具體走絲形式為：將一整排的蜂窩單元視作一個整體結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)中的蜂窩單元彼此相連，先對整體結(jié)構(gòu)的左半部分輪廓進行打印，將左半部分輪廓結(jié)構(gòu)打印完成后用相同的形式再進行結(jié)構(gòu)的右半部分輪廓結(jié)構(gòu)的打印。經(jīng)過該打印過程，整個蜂窩單元形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，且打印出的各個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展，直至整個試件發(fā)生斷裂失效。觀察蜂窩狀3D打印拉伸試件的斷面形式，整個試件的斷裂是通過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)沒有填充，主要靠內(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蜂窩單元外輪廓的絲材受到拉力作用變細(xì)變長，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，開始出現(xiàn)細(xì)微裂紋之后徑直穿過蜂窩單元，整個裂紋擴展路徑沿著豎向首先經(jīng)歷層間斷裂，之后是跨層斷裂，裂紋擴展持續(xù)增長至最終卸載停機。

基于邊界效應(yīng)模型（BEM）的研究

基于邊界效應(yīng)模型（BEM）對3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)的斷裂性能進行研究，通過制作3D打印單邊缺口三點彎曲試件，對其預(yù)制不同長度的初始裂紋并進行試驗。試驗結(jié)束后通過對試件斷面進行觀測確定3D打印試件的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Cch，基于BEM計算3D打印單邊缺口三點彎曲試件的拉伸強度ft與直接拉伸試驗得出的3D打印試件的拉伸強度ft進行對比，說明BEM對于3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)斷裂性能研究的簡便性。

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