具有內(nèi)部孔洞的3D打印PLA試樣力學(xué)性能研究

董駿杰，劉宇杰

（西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031）

引言

構(gòu)件內(nèi)部的裂紋、孔洞等缺陷是引起材料損傷和破壞主要誘因之一，因而針對(duì)含缺陷構(gòu)件的力學(xué)性能研究就顯得非常重要。自Kachanov提出使用連續(xù)度［1］來(lái)描述材料損傷以來(lái)，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)損傷力學(xué)取得了非常顯著的發(fā)展。傳統(tǒng)的損傷表征方法雖然應(yīng)用簡(jiǎn)便，但是不能很好地揭示損傷的物理機(jī)理。隨著XCT等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，材料或構(gòu)件內(nèi)部的缺陷觀測(cè)成為可能。近年來(lái)，研究者們針對(duì)構(gòu)件微觀結(jié)構(gòu)演化對(duì)其力學(xué)性能的影響做了大量研究［2-7］。Williams等［2］對(duì) Ti－6Al－4V構(gòu)件的內(nèi)部孔洞的形態(tài)和分布進(jìn)行了詳細(xì)的研究，結(jié)果表明，3D重構(gòu)后的幾何模型可清楚地觀測(cè)到材料內(nèi)部的孔洞及其分布。Yang等［3］對(duì)AM60鑄造鎂合金的內(nèi)部孔洞的尺寸分布、孔隙率、空間分布等特性進(jìn)行了形態(tài)學(xué)分析。文獻(xiàn)［4－7］對(duì)疲勞過(guò)程中的裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了3D觀測(cè)，得到了大量對(duì)解釋疲勞機(jī)理有用的結(jié)論。但是，由于缺陷形貌的復(fù)雜性，對(duì)含缺陷材料的幾何建模和有限元計(jì)算運(yùn)算量非常大，因而對(duì)于計(jì)算機(jī)和前處理軟件要求就非常高。

3D打?。═hree Dimensional Print）是一種將被制備構(gòu)件的三維幾何模型通過(guò)切片分層處理，進(jìn)而利用熔融、激光照射等方式堆疊得到真實(shí)構(gòu)件的先進(jìn)制造技術(shù)［8-9］。目前，該技術(shù)已逐漸應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、汽車工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，同時(shí)，已有大量學(xué)者基于3D打印技術(shù)針對(duì)不同的材料、工藝以及打印參數(shù)等做了研究［10-14］。最近，研究者利用3D打印技術(shù)生成材料內(nèi)部缺陷，來(lái)研究缺陷對(duì)材料力學(xué)性能的影響。田威等［15］通過(guò)CT掃描重建得到天然砂巖試樣的幾何模型，進(jìn)而利用3D打印工藝，制備得到近似于天然砂巖結(jié)構(gòu)的3D打印試樣，并進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明：3D打印試樣能夠高度還原天然砂巖試樣的內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并且具有與天然砂巖更加近似的力學(xué)性能和較小的試驗(yàn)離散性。該方法結(jié)合了CT掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，為研究構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷對(duì)其力學(xué)性能的影響提供了新的思路。

本文針對(duì)PLA材料，結(jié)合3D打印技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)構(gòu)件的幾何模型，尤其是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何分布，制備得到含有不同尺寸和不同形狀孔洞的3D打印試樣；利用MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)，對(duì)試件開(kāi)展拉伸試驗(yàn)，將得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而揭示內(nèi)部孔洞對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)概述

試驗(yàn)選取PLA 3D打印耗材，利用極光爾沃－603S型3D打印機(jī)，制備如圖1所示的完好試件和含孔洞試件（尺寸參考 GB／T 1040.2－2006）。試件厚2 mm，寬6 mm，工作段長(zhǎng)25 mm。

圖1 試件尺寸圖／mm

孔洞尺寸見(jiàn)表1，缺陷均為埋藏型內(nèi)部孔洞，位于工作段中心位置處，其中橢球形孔洞的短軸沿構(gòu)件厚度方向。需說(shuō)明的是，為了便于后續(xù)比較分析，在設(shè)定孔洞尺寸時(shí)，使橢球型組中孔洞的體積近似等于球形組的孔洞體積。

表1 孔洞的尺寸和類型

利用Cura軟件對(duì)試樣幾何模型沿厚度方向進(jìn)行切片，其中，切片間距為0.1 mm，殼厚度為1.2 mm，填充率為100%，控制打印機(jī)速率為30 mm／s，熔融溫度為200℃。制備14個(gè)3D打印試樣，分為三組，分別為無(wú)孔洞組（2個(gè)）、球形孔洞組（6個(gè)）、橢球形孔洞組（6個(gè)）。

拉伸試驗(yàn)使用MTS－858電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，加載速度設(shè)定為1 mm／min，試驗(yàn)過(guò)程中在試件工作段安裝標(biāo)距為25 mm的引伸計(jì)，通過(guò)MTS 793控制系統(tǒng)測(cè)量應(yīng)變。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力－應(yīng)變曲線對(duì)比

完好試樣拉伸的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2所示。從拉伸曲線的演化趨勢(shì)可以看出，打印得到的PLA構(gòu)件在拉伸過(guò)程中達(dá)到極限應(yīng)力之后，隨著應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力迅速減小，直至斷裂。觀察其斷口形貌（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，斷口具有脆性斷裂的特征，同時(shí)，試件在拉斷時(shí)，應(yīng)變小于5%，綜合以上變形特征可以說(shuō)明PLA 3D打印試件具備典型脆性材料的破壞特征。

圖2 PLA打印試樣拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖3 拉伸斷口形貌

為了直觀地說(shuō)明含孔洞試件和無(wú)孔洞試件之間的力學(xué)性能差異，圖4給出了無(wú)孔洞試樣和含孔洞試樣單軸拉伸的名義應(yīng)力－應(yīng)變曲線。由圖4可知，整體的演化趨勢(shì)上，除球形孔洞尺寸r＝0.8 mm的試件，其余含孔洞構(gòu)件的屈服強(qiáng)度均大于完好試驗(yàn)的拉伸強(qiáng)度，說(shuō)明孔洞可以在一定程度上增加構(gòu)件的拉伸強(qiáng)度；另外，對(duì)比不同試樣在彈性階段的斜率發(fā)現(xiàn)，含球形孔洞構(gòu)件與無(wú)孔洞試件的斜率十分接近，但是，含橢球形孔洞試樣其彈性段的斜率明顯大于球形孔洞試樣和無(wú)孔洞試樣，說(shuō)明橢球形孔洞對(duì)于構(gòu)件工作段的剛度有所增強(qiáng)。

圖4 不同試樣的拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線

2.2 孔洞對(duì)構(gòu)件斷裂形式的影響

圖5 給出了不同尺寸的球形深埋孔洞在拉伸時(shí)的斷口位置和斷口形貌（左邊兩組r＝0.4 mm；中間兩組r＝0.6 mm；右邊兩組 r＝0.8 mm）。首先，由圖5（a）可知，斷裂位置均在工作段的中心位置，即孔洞所在位置處發(fā)生斷裂（構(gòu)件上的黑線是準(zhǔn)備試驗(yàn)時(shí)標(biāo)定的工作段位置，下同），說(shuō)明孔洞部位在拉伸過(guò)程中處于應(yīng)力集中比較明顯的區(qū)域。

圖5 不同尺寸的球形深埋孔洞斷裂情況

另一方面，觀察發(fā)現(xiàn)，有孔洞試樣的斷口處的截面沒(méi)有明顯的收縮，呈現(xiàn)的是一種脆性斷裂的形式，和無(wú)孔洞試樣的拉伸斷裂破壞形式相似。但是，在觀察圖5（b）中所給出的試驗(yàn)結(jié)束后試件斷口局部形貌發(fā)現(xiàn)，不管孔洞尺寸大小如何，構(gòu)件斷裂時(shí)并不是貫穿球形孔洞而破壞，而是在孔洞和周圍過(guò)渡位置的連接處發(fā)生斷裂而破壞。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生原因可能是在構(gòu)造內(nèi)部孔洞時(shí)，3D打印機(jī)首先在孔洞周圍沿著圓周路徑打印出孔洞的輪廓，形成孔洞的殼，然后在無(wú)孔洞部位按照45度直線路徑進(jìn)行打印堆積。從而使得構(gòu)件在孔洞位置和周圍材料之間產(chǎn)生了一定的幾何不連續(xù)的界面，使得加載過(guò)程中這一區(qū)域應(yīng)力集中相對(duì)明顯，最終導(dǎo)致了這種特殊的破壞形式。

圖6給出了和球形孔洞體積相同的橢球型深埋孔洞在單軸拉伸時(shí)的斷口位置和斷口形貌（左邊兩組a＝0.6 mm，b＝0.2 mm，c＝0.6 mm；中間兩組a＝0.9 mm，b＝0.3 mm，c＝0.9 mm；右邊兩組a＝1.1 mm，b＝0.4 mm，c＝1.1 mm）。由圖6（a）可知，當(dāng)橢球型缺陷短半軸b＝0.2 mm時(shí)，構(gòu)件在工作段和夾持段的連接位置處斷裂；當(dāng)b＝0.3 mm時(shí)，構(gòu)件的斷裂位置并不統(tǒng)一；當(dāng)b＝0.4 mm時(shí)，構(gòu)件在缺陷部位斷裂，說(shuō)明b＝0.3 mm是缺陷尺寸的臨界值。結(jié)合圖5，對(duì)比相同孔隙率下球形孔洞試件斷裂位置可以發(fā)現(xiàn)，橢球形孔洞構(gòu)件的斷裂位置并不完全集中在孔洞區(qū)域，說(shuō)明橢球形孔洞所引起的應(yīng)力集中對(duì)拉伸斷裂破壞的影響并沒(méi)有球形孔洞下的明顯。

圖6 橢球形缺陷斷裂情況

同時(shí)，觀察圖6（b），當(dāng) b＝0.4 mm，構(gòu)件在橢球形孔洞部位斷裂時(shí)的局部斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，斷口呈現(xiàn)貫穿孔洞的破壞形式，這和球形孔洞試樣的斷口形貌有很明顯的差別。盡管兩種孔洞在打印時(shí)的路徑比較相似，但是橢球形孔洞的曲率相對(duì)球形較小，因而孔洞和周圍材料之間的粘合性比較好，這應(yīng)該是兩種不同類型孔洞試件呈現(xiàn)不同斷口形貌的主要原因。

2.3 孔洞對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響

衡量脆性材料拉伸強(qiáng)度最重要的指標(biāo)是材料的抗拉強(qiáng)度。圖7給出了含不同孔洞的試樣拉伸強(qiáng)度隨孔洞體積的演化規(guī)律，同時(shí)作為參照，給出了無(wú)孔洞試樣拉伸時(shí)的拉伸強(qiáng)度。由圖7可見(jiàn)，相比于無(wú)孔洞試樣的拉伸強(qiáng)度，當(dāng)孔洞體積在0.2 mm3～1.0 mm3時(shí)，不論孔洞類型是球形還是橢球形，其拉伸強(qiáng)度均大于完好試樣的拉伸強(qiáng)度；當(dāng)缺陷體積大于1 mm3以后，球形缺陷的拉伸強(qiáng)度下降比較明顯，而橢球形孔洞的拉伸強(qiáng)度盡管也呈下降趨勢(shì)，但是下降速率比較小，而且在體積分?jǐn)?shù)達(dá)到4%時(shí)，橢球形孔洞試樣拉伸強(qiáng)度依舊略高于完好試樣的拉伸強(qiáng)度，說(shuō)明一定尺寸的幾何孔洞反而可以在某種程度上加強(qiáng)材料的抗拉強(qiáng)度。可能的原因是3D打印過(guò)程中，圓孔的孔邊殼體和無(wú)孔部分堆積路徑不同造成材料性能差異，而且連續(xù)曲線堆積的殼的強(qiáng)度高于45度往復(fù)堆積的無(wú)孔部分的強(qiáng)度。這也可以解釋前面觀察到的拉伸破壞并不發(fā)生在孔邊處的現(xiàn)象。

圖7 拉伸強(qiáng)度隨孔洞體積分?jǐn)?shù)變化之間的關(guān)系

對(duì)比兩種不同形狀孔洞試樣的拉伸強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔洞體積相同時(shí)，球形孔洞試樣拉伸強(qiáng)度小于橢球形孔洞試樣的拉伸強(qiáng)度，說(shuō)明橢球形孔洞對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響并不明顯，反而對(duì)拉伸強(qiáng)度有一定的提高。同時(shí)，隨著孔洞體積的增加，球形孔洞試樣的拉伸強(qiáng)度下降速率大于橢球形孔洞試樣。

3 結(jié)論

基于3D打印制備了含有不同類型和尺寸缺陷的PLA試樣，并進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)。由于3D打印特殊的成型工藝，帶有內(nèi)部圓孔的3D打印材料的力學(xué)性能與普通材料相比有明顯區(qū)別：

（1）由于孔邊殼體強(qiáng)度較高，相對(duì)小尺寸的孔洞能夠提高3D打印構(gòu)件的拉伸強(qiáng)度和剛度；具有小尺寸孔洞的構(gòu)件破壞并不發(fā)生在孔洞處，而是發(fā)生在孔邊殼體和密實(shí)部分的連接處。

（2）隨著孔洞體積的增加，球形孔洞對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響大于同體積下橢球形孔洞。

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