余 逸，戴 寧，郭 策，張偉南，程筱勝

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

熔融沉積成型(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)是應(yīng)用最廣泛的增材制造技術(shù)，在熱塑性塑料成型方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，因而受到航空航天零件制造領(lǐng)域越來越多的關(guān)注[1]。波音公司有300種不同的飛機(jī)零部件是由FDM工藝制造的，而美國國家航空航天局(NASA)也早已開始在衛(wèi)星中引入FDM零件，如用于FormoSat-7/COSMIC-2衛(wèi)星任務(wù)中的天線陣列[2]，這些應(yīng)用都要求零件具有良好的抵抗破壞的能力。FDM零件由材料熔融堆積而成，其力學(xué)性能呈現(xiàn)出各向異性，并且很大程度上依賴于打印時(shí)的填充方式[3-4]。而目前的制造過程在設(shè)計(jì)填充軌跡時(shí)，通常只考慮成型的精度和效率，導(dǎo)致材料的堆積方向往往不是處于最佳的力學(xué)取向上，從而使零件的性能受到削弱。因此，提出一種能改善FDM零件韌性的填充方式具有重要的意義。

國外有很多學(xué)者針對零件切片層間和層內(nèi)的裂紋擴(kuò)展行為以及斷裂韌性[5-8]展開了研究。其中，McLouth等[5]使用苯乙烯樹脂(ABS)材料制作了緊湊拉伸(CT)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他們觀察到當(dāng)切片層的方向從平行于裂紋面轉(zhuǎn)到垂直于裂紋面時(shí)，零件斷裂韌性提高了54%。對于打印方向相同的樣件，將掃描角度由+45°/-45°改為0°/90°時(shí)，零件斷裂韌性下降11%。Ghandriz等[8]將物理實(shí)驗(yàn)與有限元仿真結(jié)合，研究了單一切片層的斷裂行為，發(fā)現(xiàn)掃描方向?qū)觾?nèi)裂紋的擴(kuò)展方向影響巨大。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果無疑都表明了打印方向和掃描角度都會影響成型零件的韌性，但是所選擇的填充結(jié)構(gòu)還停留在常用的掃描策略上，缺乏改善的空間。

仿生領(lǐng)域有很多可借鑒的高韌性結(jié)構(gòu)，Bouligand結(jié)構(gòu)是其中的一個研究重點(diǎn)，這種螺旋結(jié)構(gòu)廣泛存在于自然界各種動物的體內(nèi)[9]。Bouligand結(jié)構(gòu)的存在往往使這些生物結(jié)構(gòu)表征出優(yōu)良的斷裂韌性和面內(nèi)各向同性。Grunenfelder、Zaheri、Cheng等[10-12]分別用不同的材料、不同的物理實(shí)驗(yàn)對螺旋結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明：Bouligand型的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)與纖維角度為[0°/±45°/90°]的層合板結(jié)構(gòu)相比，具有更好的韌性。

Bouligand的特殊排布方式，可以通過改變FDM掃描角度的方式，使零件的軌跡形成近似結(jié)構(gòu)。為了探究這種近似結(jié)構(gòu)是否具有提升韌性的效果，本文中將使用PLA材料制備單邊缺口梁(SENB)試件，以三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行驗(yàn)證。為了便于橫向?qū)Ρ?，不同參?shù)下零件的斷裂韌性統(tǒng)一由臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIc來評估，并且為了進(jìn)一步了解這種近似Bouligand結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，試樣的裂紋路徑以及斷口形貌也被記錄，以便得出更為全面的結(jié)論。

1 研究方法

1.1 仿生機(jī)理

Bouligand結(jié)構(gòu)是一種由大量的單向纖維鋪排層按一定的螺旋角堆疊而成的周期性結(jié)構(gòu)[8]，其生物組織中的斷面和抽象模型分別如圖1(a)、(b)所示。

圖1 生物Bouligand結(jié)構(gòu)及其簡化模型

如果將起始層纖維角度設(shè)為0°，那么其內(nèi)部纖維層的角度α將滿足：

α=(n-1)γ

(1)

式中：n為當(dāng)前纖維層的層數(shù)；γ為相鄰纖維層的螺旋角。從單一纖維層來看，這種具有明顯方向性的結(jié)構(gòu)與光柵掃描方式下的FDM軌跡結(jié)構(gòu)具有非常高的相似性。光柵掃描軌跡也可以通過設(shè)定打印角度實(shí)現(xiàn)以固定螺旋角進(jìn)行螺旋排布，因而可以認(rèn)為是近似Bouligand結(jié)構(gòu)。

Bouligand結(jié)構(gòu)的增韌機(jī)制不僅取決于幾何結(jié)構(gòu)，還取決于其與初始裂紋的位置關(guān)系。目前仿生領(lǐng)域?qū)τ贐ouligand結(jié)構(gòu)增韌機(jī)制的觀點(diǎn)主要有兩種：

其一是由Naleway等[9]提出，因?yàn)锽ouligand結(jié)構(gòu)由大量的單向纖維層組成，而不同朝向的纖維層對裂紋尖端的響應(yīng)不同，可使裂紋具有不同方向的擴(kuò)展趨勢，裂尖的應(yīng)力得以分散，避免了應(yīng)力的集中。圖2(a)展示了一個螺旋角為45°的四層Bouligand結(jié)構(gòu)對裂紋尖端的響應(yīng)示意圖，在張開載荷下，纖維層Ⅰ的朝向與裂紋擴(kuò)展方向垂直，具有直接的抵抗作用；纖維層Ⅱ和Ⅳ會偏轉(zhuǎn)裂紋，而纖維層Ⅲ有直接沿兩束纖維之間的界面開裂的趨勢。

圖2 Bouligand結(jié)構(gòu)的兩種增韌機(jī)制

另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為Bouligand結(jié)構(gòu)中相鄰兩根纖維之間總是存在著方向平行的薄弱界面，當(dāng)裂紋在結(jié)構(gòu)內(nèi)擴(kuò)展時(shí)，必然會受到這些薄弱界面的誘導(dǎo)而發(fā)生扭轉(zhuǎn)和偏移，因此裂紋的生長需要更多的能量，如圖2(b)中內(nèi)部的螺旋曲面所示。

以上兩種機(jī)制的分析都經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，它們之間最大的區(qū)別在于纖維層與初始裂紋平面的位置關(guān)系，因此在引入到FDM軌跡結(jié)構(gòu)中時(shí)，需要兩組不同打印方向的樣件以對這兩種機(jī)制進(jìn)行驗(yàn)證和比較。

1.2 試樣設(shè)計(jì)

單邊缺口梁試件的設(shè)計(jì)參考了ASTM D5045-99[13]，其尺寸為100 mm(L)×20 mm(W)×10 mm(B)，其中L,W和B分別為試樣的長度、寬度和厚度，缺口長度a為9 mm。因?yàn)樵嚰嬖诨砜?，所以在裂紋的初始位置和方向確定后，只需要調(diào)整試件的打印方向和掃描方向，就可以使初始裂紋與軌跡結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系滿足上述兩種增韌機(jī)制的要求。根據(jù)試樣的寬度W與打印平臺坐標(biāo)軸的平行關(guān)系，將打印方向標(biāo)記為Y組和Z組。再以打印平臺的x軸方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，逆時(shí)針方向?yàn)檎?，來描述路徑方向，如圖3所示。Y組對應(yīng)于圖2(a)的機(jī)制，對掃描角度無特殊要求，但為了便于后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，所有的螺旋試樣起始層掃描方向均為0°。Z組對應(yīng)于圖2(b)的機(jī)制，因?yàn)樾枰ＷC螺旋結(jié)構(gòu)與初始裂紋方向是平行關(guān)系，所以豁口尖端路徑方向?yàn)?0°。

圖3 試樣打印配置圖

在這兩組打印方向上，按照15°、30°、45°、60°以及±45°的掃描角度再進(jìn)一步分成5個小組。其中15°、30°、45°和60°指打印軌跡的螺旋角γ，而±45°試樣中只包含45°和-45°兩個方向的切片層，是目前FDM打印中最常用的一種掃描策略，作為對照組來驗(yàn)證螺旋狀軌跡的增韌效果，無須滿足起始層方向的特殊要求。綜上，實(shí)驗(yàn)樣件分為兩大組，每大組下有5個小組，每小組準(zhǔn)備了3個相同的試樣，以保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，共計(jì)30個試樣。

所有試樣都由WEEDO F192機(jī)器制作，材料為PLA，噴頭直徑0.4 mm，層厚0.2 mm，輪廓厚度為1層(0.2 mm)。

1.3 實(shí)驗(yàn)平臺

三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)均在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，力傳感器測量上限為5 kN，壓頭移動速度為10 mm/min。實(shí)驗(yàn)過程中記錄載荷和位移值，當(dāng)載荷達(dá)到峰值后再下降到峰值的60%時(shí)，判斷試樣已斷裂，停止實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)由軟件Anytest獲取。

1.4 韌性計(jì)算

根據(jù)ASTM D5054可知，韌性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力強(qiáng)度因子由式(2)、(3)計(jì)算：

(2)

(3)

式中：KQ為斷裂韌性的理論計(jì)算值；PQ為裂紋擴(kuò)展2.5%時(shí)所對應(yīng)的載荷；x為缺口長度與試樣寬度的比值，x=a/w。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足式(4)、(5)時(shí)，KQ可看作是KIc：

(4)

(5)

式中：Pmax為斷裂過程中的載荷峰值；σy為材料的屈服強(qiáng)度，本實(shí)驗(yàn)所使用PLA的屈服強(qiáng)度為40～60 MPa。

2 結(jié)果與討論

兩個打印方向與5組軌跡夾角共10個試樣的韌性值KQ由表1給出。Y組的5組試樣都滿足式(3),因此其KIc值可直接計(jì)算得到，而Z組均不滿足，將使用KQ值代為表征韌性。由表1數(shù)據(jù)可知，打印方向和掃描角度都能影響零件的韌性。首先從打印方向來看，Y組試樣的韌性明顯要強(qiáng)于Z組。從掃描角度來看，Y組的30°試樣具有最高的韌性，比起相同打印方向上的±45°試樣，提高了17.13%。Z組中KQ值最大的是60°試樣，相比同組內(nèi)的±45°試樣韌性提高了14.27%。這表明與傳統(tǒng)的FDM掃描策略相比，仿生螺旋結(jié)構(gòu)的引入可以有效提高打印零件的韌性。此外，掃描角度的改變還會對裂紋的路徑和斷面形貌造成影響，不同組的試樣，其韌性大小與裂紋擴(kuò)展都各具特點(diǎn)，下面將詳細(xì)討論。

表1 各組試樣的韌性值

2.1 Y組打印方向增韌機(jī)制

Y組打印方向下各組試樣的載荷位移曲線如圖4所示，而試樣的裂紋路徑與對應(yīng)的裂紋斷面由圖5給出。其中，15°試樣具有最低的韌性3.215 1 MPa·m1/2，但是裂紋在后續(xù)擴(kuò)展的過程中發(fā)生了幾次明顯的偏移。其裂紋面凹凸不平，并且凹陷與凸起的狀態(tài)與對應(yīng)切片層的掃描角度保持著固定的關(guān)系，從而使整個裂紋面在厚度方向上呈現(xiàn)出非常明顯的周期性，與圖1(a)中的生物結(jié)構(gòu)具有非常高的相似性。此外，裂紋斷面的高度在厚度方向上并不一致，說明裂紋在偏移的同時(shí)還發(fā)生了一定的扭轉(zhuǎn)，這都是15°試樣在啟裂后載荷下降最為緩慢的原因。與15°試樣相比，30°試樣的裂紋偏移幅度較小，整體的擴(kuò)展路徑接近于直線，斷面較為平整，但仍能觀察到周期性的凹陷與凸起，試樣的韌性在當(dāng)前打印方向和掃描角度下，達(dá)到了所有試樣的最大值。45°試樣延續(xù)了裂紋形貌的變化趨勢，在裂紋路徑和斷口形貌上更趨近于脆性平面斷裂，因此試樣的韌性值沒有進(jìn)一步提升，反而有所下降。60°試樣的韌性值進(jìn)一步下降，但裂紋的偏移程度要大于30°試樣，斷面形貌也證明了這一點(diǎn)。與15°試樣不同的是，60°試樣的斷面雖然在裂紋擴(kuò)展的方向上有所起伏，但是在厚度方向缺乏變化，表明裂紋路徑僅出現(xiàn)了偏移，而沒有扭轉(zhuǎn)。對照組±45°的KIc值為3.510 7 MPa·m1/2，低于30°、45°和60°試樣，但裂紋在擴(kuò)展時(shí)發(fā)生了最為明顯的偏移，并且偏移的方向基本與±45°相契合。此外，裂紋平面在厚度方向上沒有變化，即擴(kuò)展時(shí)未發(fā)生扭轉(zhuǎn)，McLouth等[5]和Ziemian[14]等在ABS的實(shí)驗(yàn)中通過掃描電鏡觀察到的裂紋面也具有這種特征，無疑驗(yàn)證了本次實(shí)驗(yàn)的正確性。

圖4 Y組試樣載荷位移曲線

圖5 Y組試樣裂紋路徑與斷面

雖然Gardan等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)表明，常用的±45°打印方式已經(jīng)具備較好的韌性，但將Bouligand結(jié)構(gòu)按圖2(a)的方式引入到軌跡結(jié)構(gòu)中后，韌性仍然能進(jìn)一步提升，說明了對應(yīng)的生物增韌機(jī)理在FDM過程中的適用性。與Bouligand結(jié)構(gòu)類似，軌跡結(jié)構(gòu)的螺旋角也是影響試樣韌性的重要參數(shù)，這也是造成15°、30°、45°和60°試樣韌性與裂紋形貌出現(xiàn)差別的原因。

需要注意的是，本次實(shí)驗(yàn)與仿生領(lǐng)域相關(guān)研究存在部分沖突。不少仿生論文都表明，小螺旋角的Bouligand試樣具有更好的韌性，如Zaheri的拉伸實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)最好的是15°試樣[11]。但在本研究的Y組中，15°樣件的韌性最差。在仔細(xì)對比了FDM軌跡結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料Bouligand結(jié)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)果上的差異是由現(xiàn)有的3D打印路徑生成算法導(dǎo)致的。本研究中為了使軌跡結(jié)構(gòu)逼近生物螺旋結(jié)構(gòu)而采用柵格掃描填充方式，但現(xiàn)有的算法在生成路徑時(shí)為了盡量減少零件打印時(shí)起弧和斷弧的次數(shù)，會讓兩條相鄰軌跡于零件輪廓處相連。在Y組打印方向下，SENB試樣的豁口正處于打印的輪廓位置，因而會在尖端出現(xiàn)橫向連接結(jié)構(gòu)，這一部分軌跡對豁口產(chǎn)生裂紋具有直接的抵抗作用。但對于15°試樣而言，由于每一層軌跡變化的角度過小，導(dǎo)致內(nèi)部存在很多特定方向的切片層，它們在豁口尖端的結(jié)構(gòu)屬于相對薄弱的區(qū)域，這些切片層的存在會降低試樣對初始裂紋的抵抗能力，并且這個輪廓問題在其他角度的試樣中沒有出現(xiàn)，所以造成了15°試樣韌性最差的結(jié)果。

2.2 Z組打印方向增韌機(jī)制

如圖6所示，Z組打印方向上5組試樣的韌性對于打印角度的變化并不敏感，除了±45°的韌性為2.557 1 MPa·m1/2以外，考慮到誤差的影響，4組螺旋軌跡試樣的KQ值沒有表征出明顯的區(qū)別，最大值與最小值之間僅相差6.4%。圖7的裂紋路徑和斷面圖也說明了這一點(diǎn)：只有15°試樣的裂紋呈周期性鋸齒狀擴(kuò)展，且裂紋斷面與Y組中的15°試樣一樣呈現(xiàn)出明顯的周期性，而其他試樣均表現(xiàn)出脆性的平面斷裂。因此，圖6中15°試樣曲線的峰值和斷裂位移都要優(yōu)于其他試樣。但是15°試樣并不具有最大的KQ值，這是因?yàn)镵Q只能反映裂紋初始擴(kuò)展時(shí)的狀態(tài)，而不能描述后續(xù)的變化趨勢。

圖6 Z組試樣載荷位移曲線

圖7 Z組試樣裂紋路徑與斷面

根據(jù)圖2(b)所示的Bouligand增韌機(jī)理可知，理想情況下初始狀態(tài)為平面的裂紋會受到螺旋結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)，在擴(kuò)展時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，耗散更多的能量，結(jié)構(gòu)的韌性得以提高。Suksangpanya等[15]按此排布方式構(gòu)造的復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲試樣在實(shí)驗(yàn)中就出現(xiàn)了非常明顯的裂紋扭轉(zhuǎn)和分裂，然而在相同結(jié)構(gòu)下的軌跡試樣中，只有15°試樣在較小的角度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出了這種趨勢，沒有發(fā)生脆性平面斷裂。這說明在使用PLA材料的FDM工藝中，填充率為100%時(shí)，相鄰纖維之間粘合得非常緊密，弱相與纖維之間的性質(zhì)差異不明顯，使得螺旋結(jié)構(gòu)對裂紋的誘導(dǎo)作用僅當(dāng)纖維方向與初始裂紋平面方向夾角在一定范圍內(nèi)才會起作用。一旦纖維之間的弱相界面與初始裂紋面方向夾角過大，裂紋就不會受到結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向，而是破壞PLA熔絲，沿直線斷裂。

3 結(jié)束語

對于FDM零件，打印方向和掃描方式都對其韌性具有非常大的影響。將Bouligand結(jié)構(gòu)引入到試樣的軌跡結(jié)構(gòu)中后，韌性最優(yōu)良的Y組30°試樣具有最大的韌性值4.112 1 MPa·m1/2，與目前常用的打印方式±45°試樣相比，韌性提高了17.13%。而Z組的螺旋試樣韌性比±45°普遍高12%左右。這說明軌跡所形成的近似生物結(jié)構(gòu)確實(shí)能提高FDM零件的韌性。本文對不同打印方向和掃描方式試樣的分析，能為后續(xù)航空航天領(lǐng)域改善增材制造零件韌性的研究提供幫助，并給出了利用掃描方式模仿生物高性能結(jié)構(gòu)的新思路，這個研究思路將不限于材料、打印方式和所研究的力學(xué)性質(zhì)，具有非常大的潛力。