3D打印复合结构断裂性能及机理研究

作     者：徐丹 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王斌华

授予年度：2022年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：3D打印复合结构 边界效应模型 断裂性能 拉伸强度 打印层厚 填充角度 填充结构 

摘      要：由于3D打印技术具有省材、可设计性强和无需组装等优点被广泛应用于航空航天、汽车、电子、医学及其他各个领域,但因3D打印复合结构存在孔隙率与层间不完全粘结的固有缺陷,使得3D打印复合结构在使用过程中易发生断裂。通过对3D打印复合结构的微观结构进行研究,发现其是非均质结构,本文采用边界效应模型(BEM)对3D打印复合结构的断裂性能进行研究。本文的主要研究内容如下:(1)基于BEM研究3D打印非均质结构的断裂性能。首先对3D打印单边缺口三点弯曲试件进行试验,记录各个试件的峰值载荷P,当施加在试件正上方的载荷下降了P的2%时对试件进行卸载。观察发现3D打印单边缺口三点弯曲试件经试验后在试件表面形成的裂尖损伤区都较大,且随着试件几何尺寸的增大而增大,每个试件表面形成的裂尖损伤区的形状、大小和裂尖孔隙率均有差异,对应的?a也不同,通过对结构特征参数C进行量化处理来研究3D打印试件微观结构的非均质性,结果表明,将C带入到不同几何尺寸的3D打印试件及不同工艺参数设置下制备的3D打印试件的断裂性能研究中,可以得到较准确的断裂性能估算值。引入离散系数β将裂纹扩展长度?a与结构特征参数C联系起来,用正态分布的概念来考虑裂尖损伤区的随机性;(2)基于BEM研究了三种几何尺寸类型的3D打印单边缺口三点弯曲试件(S/W=2.5及厚度B保持不变)的断裂性能。在相同工艺参数设置下打印制作三组不同几何尺寸类型的单边缺口三点弯曲试件,对每一组试件分别预制不同长度的初始裂纹并进行试验,试验结束后,使用精度为0.01mm的游标卡尺测量各个试件的裂纹扩展长度?a,对几何尺寸一致的同组试件的裂纹扩展长度?a取平均值后确定其结构特征参数C。将试件几何尺寸与C等参数代入BEM,得到3D打印试件的拉伸强度f和断裂韧性K,通过与直接拉伸试验得到的3D打印试件的拉伸强度f进行分析对比,结果表明,对于三组不同几何尺寸类型的3D打印试件,两种方法得到的f的误差均不超过5%,且三组不同几何尺寸类型的3D打印试件的组间误差均很小,不超过6%,说明BEM提供了一种简便的方法可以用来研究3D打印复合结构的断裂性能;(3)基于BEM研究了不同3D打印工艺参数设置下的3D打印复合结构的断裂性能。3D打印复合结构的力学性能与其孔隙率及层间粘合性有着重要的关系,3D打印工艺参数的改变会直接影响试件的孔隙率及层间粘合性,本文研究了三种不同打印工艺参数(0.1mm、0.2mm和0.25mm打印层厚;0°/90°与45°/135°填充角度;直线状与蜂窝状填充结构)设置对3D打印复合结构断裂性能的影响。不同打印工艺参数设置下制作的3D打印试件的承载力、裂尖损伤区形式都会有差异,通过对不同打印工艺参数下的3D打印试件进行单边缺口三点弯曲试验,基于BEM对试验结果计算处理,与直接拉伸试验的结果进行分析对比,结果表明:经BEM计算的三种不同打印工艺参数设置下3D打印试件的f与直接拉伸的f的误差均小于10%,且三种不同工艺参数设置下试件的组间误差均很小,小于10%,最后分别分析了三种不同打印工艺参数对于3D打印复合结构断裂性能的影响,结果表明:填充角度和填充结构对于3D打印复合结构断裂性能的影响较为显著。