基于DIC的3D打印不同構(gòu)建取向成型試件的力學(xué)性能分析

張 彬，鐘宜辰，陳凡秀*，高新亞，王 瀟，張兆軍，趙偉娜，周曉賓

(1.青島理工大學(xué) 理學(xué)院，山東 青島 266520；2.青島博瑞科三維制造有限公司，山東 青島 266000)

1 引 言

近年來(lái)，3D打印技術(shù)[1-2]受到了各行各業(yè)的廣泛關(guān)注，主要包括光固化快速成型、熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM)、選擇性激光熔化成型等。其中熔融沉積成型打印技術(shù)由于其打印成本低廉、高效率、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被研究者廣泛使用。熔融沉積成型打印技術(shù)采用線材作為打印材料，其中聚乳酸[3](Poly Lactic Acid,PLA)線材由于其價(jià)格低廉、可降解等優(yōu)點(diǎn)在FDM打印技術(shù)中被廣泛應(yīng)用，很多專家學(xué)者對(duì)采用PLA線材打印的試樣的力學(xué)性能及其改性衍生材料的性能進(jìn)行了大量研究。遲百宏等[4]使用FDM技術(shù)打印丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚乳酸兩種材料的試樣，通過(guò)拉伸試驗(yàn)分析構(gòu)建取向?qū)χ破返牧W(xué)性能影響，并對(duì)比注塑成型力學(xué)性能差異，最后驗(yàn)證了FDM技術(shù)在成型制品方面的可行性。于國(guó)慶等[5]通過(guò)改變打印填充密度、打印層高、打印壁厚和打印溫度等4個(gè)關(guān)鍵的內(nèi)部參數(shù)，詳細(xì)說(shuō)明了各參數(shù)對(duì)拉伸性能的影響，并給出提高打印試樣力學(xué)性能的指導(dǎo)性建議。劉亞等[6]從拉伸性能、彎曲性能、沖擊性能3個(gè)角度分析，研究了3種不同打印參數(shù)對(duì)成型零部件力學(xué)性能的影響，尋找對(duì)成型件力學(xué)性能最佳的參數(shù)設(shè)置。很多專家學(xué)者在打印工藝參數(shù)[7-8]與不同的實(shí)驗(yàn)類型[9]兩方面做了大量研究。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，亦有學(xué)者從材料本身出發(fā)展開(kāi)了一系列的研究。畢永豹[10]等使用麥秸粉與PLA共混制備生物質(zhì)復(fù)合打印材料，通過(guò)探索不同工藝參數(shù)對(duì)該復(fù)合物質(zhì)制品的力學(xué)性能研究，結(jié)合實(shí)驗(yàn)得出相應(yīng)條件最佳的打印方式。在不斷的探索研究中，學(xué)者通過(guò)采用各種類型的實(shí)驗(yàn)方法，改變打印的各種參數(shù)，又或者是研發(fā)改性材料等，想要對(duì)打印制品的力學(xué)性能進(jìn)行全面的分析以求達(dá)到與注塑成型產(chǎn)品相媲美的質(zhì)量。

近些年來(lái)，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外研究者更加關(guān)注于聚乳酸材料的打印參數(shù)、實(shí)驗(yàn)手段或與其共混改性物的力學(xué)性能研究，然而很少有學(xué)者從測(cè)量手段出發(fā)去研究其制品的力學(xué)性能。Caterina等[11]采用電子散斑干涉方法測(cè)量打印部件內(nèi)部由于冷熱交替產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，并給出降低零部件中殘余應(yīng)力采取的措施。Rankouhi等[12]采用數(shù)字顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行掃描分析，以探索層厚對(duì)失效模式的影響，發(fā)現(xiàn)層厚與取向?qū)椥阅Ａ颗c極限強(qiáng)度有著顯著的影響。Weng等[13]使用X射線衍射和透射電鏡對(duì)加入蒙脫土的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯納米復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分析，發(fā)現(xiàn)這種加入蒙脫土的復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能與熱性能。各位專家學(xué)者在該領(lǐng)域的測(cè)量手段上引入了一些更為先進(jìn)的光學(xué)測(cè)量方法，但是這些測(cè)試方法往往需要搭光路、控制光強(qiáng)等，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求較高，很多情況下只能在實(shí)驗(yàn)室中完成，并且所得到的力學(xué)參數(shù)也有很大的局限性，往往不是從業(yè)者在生產(chǎn)實(shí)踐中更為關(guān)注的參數(shù)。

在進(jìn)行材料力學(xué)性能分析時(shí)，通常假定材料是連續(xù)均勻的，不考慮材料本身的缺陷或者裂紋，但是在制造行業(yè)，產(chǎn)品的各向異性隨處可見(jiàn)，在3D打印制作行業(yè)尤其突出，其獨(dú)特的逐層堆積成型的制造工藝使得試樣表現(xiàn)出明顯的各向異性。本文采用不同構(gòu)建取向成型的拉伸與彎曲試件，在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了多組試驗(yàn)，提出基于DIC方法來(lái)研究3D打印試樣的力學(xué)性能，分析了打印方式的不同對(duì)打印試樣的力學(xué)性能的影響。對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行記錄，其獨(dú)特的全場(chǎng)分析、實(shí)時(shí)記錄功能給后續(xù)研究試樣的力學(xué)性能提供了全面、可追溯的便利，為深入研究試樣的力學(xué)性能提供有效而又便捷的手段。3D打印行業(yè)對(duì)材料的基本力學(xué)性能尤為關(guān)注，用DIC測(cè)量系統(tǒng)來(lái)探索不同種類試件的力學(xué)性能并分析其差異原由，為生產(chǎn)實(shí)踐提供了有效的理論依據(jù)，給3D打印后繼研究者在物理形狀層面、失效原理分析以及測(cè)量手段上提出一個(gè)新的思路。

2 數(shù)字圖像相關(guān)方法

數(shù)字圖像相關(guān)方法[14-17](Digital Image Correlation,DIC)是一種基于被測(cè)物體變形前后相關(guān)原理的光學(xué)測(cè)量方法，是采用CCD攝像機(jī)在被測(cè)物體加載過(guò)程中進(jìn)行圖像采集，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理與識(shí)別技術(shù)產(chǎn)生的一種變形分析方法，具有全場(chǎng)性、非接觸性、實(shí)時(shí)性以及對(duì)環(huán)境要求低的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)數(shù)碼相機(jī)將被測(cè)物體表面的形貌圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，然后對(duì)變形前后采集的數(shù)字圖像中感興趣區(qū)域進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，獲得全場(chǎng)區(qū)域任一像素點(diǎn)變形前后的相對(duì)位移，從而獲得像素點(diǎn)位移、應(yīng)變等力學(xué)信息。隨著算法和技術(shù)細(xì)節(jié)的改進(jìn)與完善，它可以測(cè)量幾乎所有材料和結(jié)構(gòu)的變形、振動(dòng)和應(yīng)變。該項(xiàng)技術(shù)發(fā)明至今得到了廣泛的應(yīng)用，使用范圍從微觀研究到大型土木工程的測(cè)量，分辨率達(dá)到了微米級(jí)，同時(shí)在材料性能分析、固體力學(xué)問(wèn)題研究以及工程應(yīng)用等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。該方法在進(jìn)行相關(guān)計(jì)算的搜索匹配時(shí)，選用的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)方差相關(guān)函數(shù)為：

(1)

式中：f(x,y)、g(x+u,y+v)分別為變性前后灰度圖片中各像素點(diǎn)的灰度值；fm、gm為其圖像子區(qū)的平均灰度值；u、v為子區(qū)中心的位移，單位為像素。

3 試樣制作

使用三維建模軟件SolidWorks建立三維標(biāo)準(zhǔn)模型,通過(guò)切片軟件對(duì)模型進(jìn)行切片、加支撐等處理生成打印機(jī)可識(shí)別的代碼，最后在代碼的指令作用下使打印機(jī)(型號(hào)：太爾時(shí)代up box)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)逐層堆積打印直至成型。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以熔融沉積的打印方法打印標(biāo)準(zhǔn)試樣，根據(jù)GB/T 1040-2006所述打印標(biāo)椎尺寸的拉伸試樣如圖1所示。試驗(yàn)使用3種不同構(gòu)建取向成型的試樣，即打印時(shí)的放置有所不同(圖2)，由上到下依次記為站立式、側(cè)立式、平躺式。同理3點(diǎn)彎曲試樣符合GB/T 9341-2006規(guī)定尺寸，3種不同構(gòu)建取向成型的試樣也相同。

圖1 拉伸試樣尺寸示意圖(mm)Fig.1 Diagram of tensile spline size (mm)

圖2 不同構(gòu)建取向拉伸試樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of tensile specimens with different construction orientations

4 3D打印試樣的基本實(shí)驗(yàn)

由于FDM打印技術(shù)獨(dú)特地逐層疊加成型方式，這種依靠熔融粘結(jié)在一起形成的試件表現(xiàn)出較差的表面質(zhì)量，同時(shí)也存在著力學(xué)性能差、各向異性強(qiáng)等問(wèn)題。因此，很多廠家就非常關(guān)心打印出的產(chǎn)品能否達(dá)到傳統(tǒng)工藝所制作產(chǎn)品的力學(xué)性能。在這里使用更加先進(jìn)的測(cè)量手段就顯得尤為重要，不僅可以節(jié)省時(shí)間，而且先進(jìn)的方法往往能給出更為精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果。采用在固體力學(xué)領(lǐng)域廣泛使用的DIC測(cè)量方法，對(duì)3種不同構(gòu)建取向成型的打印標(biāo)準(zhǔn)試樣，進(jìn)行了拉伸和3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，給出打印試樣的強(qiáng)度、塑性等基本力學(xué)性能評(píng)價(jià)。本實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)是德國(guó)Dantec公司的Q-400測(cè)量分析系統(tǒng)，萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)采用型號(hào)為HY-0580的衡翼儀器，如圖3所示。由于打印材料屬于熱塑性材料，在試驗(yàn)前盡量將打印試樣封存在密閉的袋子中，實(shí)驗(yàn)所需的材料與工具如表1所示。在試驗(yàn)前需對(duì)試樣表面進(jìn)行制斑處理，采用白色啞光漆對(duì)拍攝圖像的一面進(jìn)行全面噴涂，根據(jù)相關(guān)性運(yùn)算確定散斑大小，再進(jìn)行黑色啞光漆的點(diǎn)狀噴涂，從而制作出隨機(jī)分布的散斑。拉伸性能按 GB/T 1040-2006 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，給出拉伸試樣尺寸與不同構(gòu)建取向示意圖，3點(diǎn)彎曲試樣同理符合彎曲性能按GB/T 9341-2006標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.3 Experimental system diagram

表1 試驗(yàn)用材料、零件、工具清單Table.1 List of materials,parts and tools for testing

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

以4 mm/min的拉伸速度對(duì)3種不同構(gòu)建取向成型的打印試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，同時(shí)采用DIC系統(tǒng)以2 Hz的頻率對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行圖像采集。根據(jù)數(shù)字圖像相關(guān)方法對(duì)圖像全場(chǎng)、全過(guò)程的相關(guān)性計(jì)算，得到應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系使之與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。從應(yīng)變隨時(shí)間變化的對(duì)比圖來(lái)看，DIC計(jì)算結(jié)果與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量結(jié)果基本吻合。在試樣拉伸斷裂時(shí)兩類試驗(yàn)結(jié)果誤差達(dá)到7.5%，其他時(shí)間段誤差均在5%以內(nèi)，滿足測(cè)量要求。該結(jié)果表明，依據(jù)DIC測(cè)量系統(tǒng)可有效獲取拉伸試樣的真實(shí)變形與應(yīng)變。

圖4 應(yīng)變隨時(shí)間變化的對(duì)比圖Fig.4 Comparison diagram of strain variation with time

6 不同構(gòu)建取向?qū)υ嚇永煨阅艿挠绊?/h2>

使用DIC結(jié)合拉伸材料試驗(yàn)機(jī)得出力與位移的關(guān)系，給出3種不同構(gòu)建取向成型試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5所示，很明顯可以看出站立式構(gòu)建成型的試樣在不斷的拉伸過(guò)程中，應(yīng)力與應(yīng)變呈現(xiàn)出近乎于線性的關(guān)系，沒(méi)有進(jìn)入頸縮階段就已被拉斷破壞，強(qiáng)度極限為16.60 MPa，僅為側(cè)立式的75%，其斷裂變形量也只達(dá)到側(cè)立式與平躺式斷裂變形的一半。不管是強(qiáng)度還是它的斷裂伸長(zhǎng)率均為3種打印方式中最小的，這與它的構(gòu)建取向密切相關(guān)，可以通過(guò)考慮兩種主要的失效模式來(lái)解釋：層間失效和跨層失效。如圖6所示，對(duì)于站立式方向，試樣拉伸試驗(yàn)拉動(dòng)平行于沉積方向，所受拉力垂直于它的纖維方向，很容易導(dǎo)致層間結(jié)合失效以致拉伸破壞。而側(cè)立式與平躺式兩種打印成型的試樣在拉伸試驗(yàn)中，拉力是沿著纖維方向的，由于PLA材料中含有較多的氫鍵，所以沿著纖維方向拉伸所能承受的拉力較大，具有拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)大于站立式的特點(diǎn)。

圖5 不同構(gòu)建取向試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖Fig.5 Stress-strain curves of samples with different construction orientations

圖6 3種試樣拉伸斷面圖(由左到右依次為：側(cè)立式，平躺式，站立式)Fig.6 Tensile fracture diagram of three kinds of specimens (from left to right:side standing,lying down,standing)

將軸向拉力施加于標(biāo)椎打印試樣，除了由應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線可看出的強(qiáng)度性能外，3種不同構(gòu)建取向成型試樣的延展性能也是從業(yè)者非常關(guān)注的一項(xiàng)重要力學(xué)性能，其中斷裂伸長(zhǎng)率、最大力總伸長(zhǎng)率往往是人們?cè)谝獾难有孕阅茉u(píng)價(jià)指標(biāo)。如圖7所示，對(duì)比3種不同構(gòu)建取向成型打印試樣的延展性能，結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變曲線就側(cè)立式與平躺式相比，兩者有著相近的拉伸強(qiáng)度，但是延展性能平躺式要高于側(cè)立式，其在進(jìn)入屈服階段有著較為平緩的形變，表現(xiàn)出較好的塑性。這與平躺式沉積成型的“寬而薄”特點(diǎn)有著密切的關(guān)系，側(cè)立式則表現(xiàn)出“窄而厚”的特點(diǎn)，這兩種不同方向沉積成型均表現(xiàn)出很好的強(qiáng)度，而平躺式由于其“寬而薄”的特點(diǎn)使其在寬度上有著較好的整體性，在單排多根纖維的共同受力作用下表現(xiàn)出優(yōu)于側(cè)立式的延展能力。

圖7 延展性能圖Fig.7 Ductility diagram

使用該測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)觀察到全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍D變化情況，經(jīng)過(guò)多次的實(shí)操實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，在試樣被拉斷前在橫向上總會(huì)出現(xiàn)多條由于應(yīng)力集中所產(chǎn)生不斷變化的線狀云圖，圖8為拉伸試樣在DIC測(cè)試系統(tǒng)中觀測(cè)的應(yīng)變?cè)茍D與實(shí)驗(yàn)斷裂后的試樣，我們發(fā)現(xiàn)在實(shí)時(shí)變化的應(yīng)變?cè)茍D中形成一條較粗且貫穿的線狀區(qū)域的瞬間該位置處發(fā)生拉伸斷裂。通過(guò)對(duì)該線狀云圖的變化的觀察，對(duì)拉伸斷裂時(shí)間和位置有一定的預(yù)測(cè)作用，這說(shuō)明實(shí)時(shí)全場(chǎng)分析DIC測(cè)量系統(tǒng)在拉伸試驗(yàn)中具有很好的預(yù)測(cè)拉伸斷裂的能力。

圖8 斷裂位置預(yù)測(cè)與實(shí)物斷裂后對(duì)比圖Fig.8 Comparison between prediction of fracture position and actual fracture

7 不同構(gòu)建取向?qū)υ嚇訌澢阅艿挠绊?/h2>

對(duì)于高塑性材料而言，彎曲試驗(yàn)不能使試件發(fā)生斷裂。由彎曲力-撓度曲線可以看出站立式試樣發(fā)生層間失效更為快速，其撓度與彎曲力呈現(xiàn)線性變化關(guān)系，達(dá)到其所能承受的最大載荷時(shí)發(fā)生突然的層間斷裂，這與熔融沉積打印方式的層間粘結(jié)力密切相關(guān)。這種層間粘合會(huì)顯著影響其抗彎曲強(qiáng)度，最大抗彎強(qiáng)度僅有側(cè)立式強(qiáng)度的2/3，使其表現(xiàn)出脆性材料的特征；而荷載作用在垂直于纖維方向的側(cè)立式與平躺式試樣上時(shí)，其荷載達(dá)到最大彎曲力后變形仍在延續(xù)，表現(xiàn)出很好的塑性性能。此結(jié)果與拉伸試驗(yàn)結(jié)果的一一對(duì)應(yīng)，更加應(yīng)征了不同構(gòu)建取向?qū)Ξa(chǎn)品的力學(xué)性能有著顯著的影響。

圖9 彎曲力-撓度關(guān)系圖Fig.9 Diagram of bending force-deflection relationship

8 結(jié) 論

側(cè)立式試樣在強(qiáng)度與塑性方面表現(xiàn)出最佳的機(jī)械性能，在彎曲性能中，拉伸強(qiáng)度類似于平躺式取向成型的試樣。在拉伸試驗(yàn)中，平躺式試樣在進(jìn)入頸縮期后，在極限形變內(nèi)所承受的荷載平緩降低，表現(xiàn)出最佳的塑性行為，有著更優(yōu)于側(cè)立式試樣的延展性能。

站立式取向成型試樣在拉伸與3點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中，其強(qiáng)度達(dá)到側(cè)立式的70%左右。在變形和破壞方面呈現(xiàn)出一種脆性材料的特質(zhì)，而非塑性材料所具有良好的延展行為。這源自于豎向的構(gòu)建取向方式和熔融沉積成型形式，形成了這種層與層粘結(jié)的情況，使其在強(qiáng)度、塑性等方面呈現(xiàn)出較差的機(jī)械性能。

引入3D-DIC測(cè)量系統(tǒng)后，對(duì)比萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)平均誤差在5%以內(nèi)，可有效獲取拉伸試樣的真實(shí)變形與應(yīng)變。同時(shí)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的形變進(jìn)行實(shí)時(shí)地分析并記錄，通過(guò)觀測(cè)圖像中隨著實(shí)驗(yàn)不斷進(jìn)行所產(chǎn)生的一條較粗且貫穿的線狀區(qū)域，亦可對(duì)拉伸破壞的位置與時(shí)間進(jìn)行預(yù)判。