三维打印半透明材料本构关系及应用探讨

　　摘要:为了研究三维打印半透明树脂材料不同后处理方式下本构关系及其应用，采用激光光固化打印技术制备一批半透明树脂标准圆柱试件，研究二次固化时间、轴向加载速率、低温冷冻等后处理方式对半透明光敏树脂材料力学性质的影响，并进行含内置币形裂纹试件单轴压缩试验。试验发现:增加二次固化、低温冷冻等手段可显著增强三维打印半透明树脂材料的脆性，试件弹性模量明显增大;加载速率对试件弹性模量影响较小，但会使试件屈服强度明显增大;在对含内置币形裂纹试件的单轴压缩试验中，观察到有翼形裂纹产生。研究结果表明:与传统浇筑透明树脂相比，三维打印半透明光敏树脂试件制备简单，且可以制备复杂内部结构的试件，但在透明度、低温脆性等物理和力学性质方面仍有欠缺。

　　关键词:三维打印;半透明树脂;脆性;本构关系;内置裂纹

　　引言近年来，三维打印产业发展迅猛，三维打印产品已经渗透到人类生产生活的方方面面。汽车零部件加工、医疗器械、艺术品修复、航空航天以及岩石力学等领域[1-5]，都可见到三维打印技术的应用。其中三维打印激光光固化技术价格低、操作简单，更是受到了广泛关注。目前激光光固化技术已实现半透明树脂材料打印，半透明树脂材料在脆性材料断裂试验方面应用较多。

　　例如A.V.Dsykin等[6]在2003年制备了一种半透明聚酯材料，进行了单轴压缩下含内置倾斜椭圆裂纹的试验，发现了内置椭圆裂纹总是在上下裂尖处起裂;2007年，郭彦双等[7-8]制备出一种新型非饱和树脂，低温时材料出现脆性爆裂现象，试验中发现了鱼鳍状裂纹;2013年，付金伟等[9-10]制备出脆性度和透明性均较好的混合树脂材料，-17℃时，材料力学性质接近岩石材料，可模拟砂岩的力学性能;2016年，朱珍德等[11-13]将不同粒径的骨料嵌入透明树脂，模拟岩石材料裂纹扩展过程。

　　查阅文献发现，以往学者采用树脂材料进行试验时，样品制备困难，难以加工出包含复杂内部结构的试件。三维打印是现代工业中的一项突破性技术，为制 造各种复杂结构提供了前所未有的灵活性，且三维打印光固化技术目前可打印半透明树脂，为取代浇筑树脂材料进行试验提供了参考方法。本文进行了一系列半透明树脂试件单轴压缩试验，包括相同试验条件下力学性质可重复性试验;改变二次固化时间、低温冷冻处理等不同后处理方式对试件力学性质影响试验;轴向加载速率对半透明树脂试件力学性质影响规律;拟合了不同试验条件下试件的本构方程;进行了含内置币形裂纹试件单轴压缩试验，试验得到一些有益结果，可为后续相关研究提供数据支撑。

　　1样品打印方法

　　激光光固化又称为光敏树脂选择性固化，是最早出现的增材制造技术。激光光固化工艺流程如下:(1)建造模型;(2)将模型分层进行树脂固化(本文层厚设为0.1mm);(3)将试件进行表面抛光、冷冻、二次固化等后处理，二次固化是将试件静置在强紫外光密封箱中一段时间。需要说明的是，光敏树脂材料在紫外线照射下材料脆性会增强，同时会影响材料的透明性，紫外光下时间越长，材料越会呈现黄色。

　　2试验方案

　　采用WDW-100E型万能试验机对试件进行单轴压缩试验，试验机额定试验荷载100kN，最大压缩速率500mm/min，最小压缩速率0.005mm/min，位移分辨率0.001mm。试件试验参数包括不同二次固化时间、低温冷冻处理、不同加载速率、含内置币形裂纹试件(预制币形裂纹位于试件中心，直径10mm、厚1mm、水平方向倾角45°);具体方案见表1，无后处理试件试验目的在于验证试件力学性质的可重复性。

　　3结果与分析

　　3.1试件力学性质可重复性

　　无任何后处理程序单轴压缩速率为1mm/min下的试件应力-应变曲线，曲线可分为3个阶段:0A段为线弹性阶段，此时应力-应变线性增加;AB段为屈服阶段，此时应力增加缓慢，应变快速增加;BC段为应力强化阶段;C点处应力达到135MPa时人为卸载，没有发生脆性破坏。

　　3.2二次固化时间对应力-应变曲线影响

　　可以看出，二次固化时间≤15min时，力学性质变化不大，仍表现出较强的塑性;二次固化24h时，比例极限、弹性模量等力学参数增大，当轴向应变到达27%时发生脆性破坏，伴随炸裂声响。

　　3.3低温冷冻对应力-应变曲线影响

　　最大轴向应力可达64MPa，首先是线弹性变形，之后屈服，最后炸裂和碎块弹射。其力学响应同二次固化24h基本一致，可见，冷冻处理和延长二次固化时间均可提高脆性，含预制币形裂纹达到比例极限之后应力略有下降，产生一定松弛。

　　3.4加载速率对应力-应变曲线影响

　　选取二次固化10min的试件进行试验，可以看出，加载速率影响试件峰值强度和弹性模量，加载速率越大，试件峰值强度越大，加载速率越大，试件弹性模量越大，这与岩石、金属等材料力学响应基本一致[14]。

　　建筑论文投稿刊物：《矿物岩石地球化学通讯》Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry(双月刊)曾用刊名：矿物岩石地球化学通讯，1982年创刊，是一份由中国矿物岩石地球化学学会与中国科学院地球化学研究所共同主办、面向广大地质地球化学工作者及有关科技人员的综合性地学学术刊物。本刊为双月刊，国内外公开发行。

　　4结论

　　(1)低温冷冻、增加二次固化时间、预制内部宏观裂纹等后处理方式均能提高打印树脂的弹性模量，使打印树脂由塑性材料转变为脆性材料。(2)未进行后处理时，打印树脂材料单轴压缩力学性能分为弹性、屈服、强化3个阶段，试件压缩不会产生脆性破坏;经过低温冷冻、延长二次固化时间等后处理手段，打印树脂单轴压缩发生一定屈服后崩裂破坏。(3)大幅度提高三维打印半透明树脂的透明性和脆性还需要从打印原材料、打印工艺入手寻求解决方案。

　　参考文献:

　　[1]江权，宋磊博.3D打印技术在岩体物理模型力学试验研究中的应用研究与展望[J].岩石力学与工程学报，2018，37(1):23-37.JIANGQ，SONGLB.Applicationandprospectof3Dprintingtechnologytophysicalmodelinginrockmechanics[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2018，37(1):23-37.

　　[2]王培涛，刘雨，章亮，等.基于3D打印技术的裂隙岩体单轴压缩特性试验初探[J].岩石力学与工程学报，2018，37(2):364-373.WANGPT，LIUY，ZHANGL，etal.Preliminaryexperimentalstudyonuniaxialcompressivepropertiesof3Dprintedfracturedrockmodels[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2018，37(2):364-373.

　　作者：刘华博1，孟凡净1，花少震1，王浩2