摘要:為了研究三維打印半透明樹脂材料不同后處理方式下本構關系及其應用，采用激光光固化打印技術制備一批半透明樹脂標準圓柱試件，研究二次固化時間、軸向加載速率、低溫冷凍等后處理方式對半透明光敏樹脂材料力學性質的影響，并進行含內置幣形裂紋試件單軸壓縮試驗。試驗發現:增加二次固化、低溫冷凍等手段可顯著增強三維打印半透明樹脂材料的脆性，試件彈性模量明顯增大;加載速率對試件彈性模量影響較小，但會使試件屈服強度明顯增大;在對含內置幣形裂紋試件的單軸壓縮試驗中，觀察到有翼形裂紋產生。研究結果表明:與傳統澆筑透明樹脂相比，三維打印半透明光敏樹脂試件制備簡單，且可以制備復雜內部結構的試件，但在透明度、低溫脆性等物理和力學性質方面仍有欠缺。

　　關鍵詞:三維打印;半透明樹脂;脆性;本構關系;內置裂紋

　　引言近年來，三維打印產業發展迅猛，三維打印產品已經滲透到人類生產生活的方方面面。汽車零部件加工、醫療器械、藝術品修復、航空航天以及巖石力學等領域[1-5]，都可見到三維打印技術的應用。其中三維打印激光光固化技術價格低、操作簡單，更是受到了廣泛關注。目前激光光固化技術已實現半透明樹脂材料打印，半透明樹脂材料在脆性材料斷裂試驗方面應用較多。

　　例如A.V.Dsykin等[6]在2003年制備了一種半透明聚酯材料，進行了單軸壓縮下含內置傾斜橢圓裂紋的試驗，發現了內置橢圓裂紋總是在上下裂尖處起裂;2007年，郭彥雙等[7-8]制備出一種新型非飽和樹脂，低溫時材料出現脆性爆裂現象，試驗中發現了魚鰭狀裂紋;2013年，付金偉等[9-10]制備出脆性度和透明性均較好的混合樹脂材料，-17℃時，材料力學性質接近巖石材料，可模擬砂巖的力學性能;2016年，朱珍德等[11-13]將不同粒徑的骨料嵌入透明樹脂，模擬巖石材料裂紋擴展過程。

　　查閱文獻發現，以往學者采用樹脂材料進行試驗時，樣品制備困難，難以加工出包含復雜內部結構的試件。三維打印是現代工業中的一項突破性技術，為制 造各種復雜結構提供了前所未有的靈活性，且三維打印光固化技術目前可打印半透明樹脂，為取代澆筑樹脂材料進行試驗提供了參考方法。本文進行了一系列半透明樹脂試件單軸壓縮試驗，包括相同試驗條件下力學性質可重復性試驗;改變二次固化時間、低溫冷凍處理等不同后處理方式對試件力學性質影響試驗;軸向加載速率對半透明樹脂試件力學性質影響規律;擬合了不同試驗條件下試件的本構方程;進行了含內置幣形裂紋試件單軸壓縮試驗，試驗得到一些有益結果，可為后續相關研究提供數據支撐。

　　1樣品打印方法

　　激光光固化又稱為光敏樹脂選擇性固化，是最早出現的增材制造技術。激光光固化工藝流程如下:(1)建造模型;(2)將模型分層進行樹脂固化(本文層厚設為0.1mm);(3)將試件進行表面拋光、冷凍、二次固化等后處理，二次固化是將試件靜置在強紫外光密封箱中一段時間。需要說明的是，光敏樹脂材料在紫外線照射下材料脆性會增強，同時會影響材料的透明性，紫外光下時間越長，材料越會呈現黃色。

　　2試驗方案

　　采用WDW-100E型萬能試驗機對試件進行單軸壓縮試驗，試驗機額定試驗荷載100kN，最大壓縮速率500mm/min，最小壓縮速率0.005mm/min，位移分辨率0.001mm。試件試驗參數包括不同二次固化時間、低溫冷凍處理、不同加載速率、含內置幣形裂紋試件(預制幣形裂紋位于試件中心，直徑10mm、厚1mm、水平方向傾角45°);具體方案見表1，無后處理試件試驗目的在于驗證試件力學性質的可重復性。

　　3結果與分析

　　3.1試件力學性質可重復性

　　無任何后處理程序單軸壓縮速率為1mm/min下的試件應力-應變曲線，曲線可分為3個階段:0A段為線彈性階段，此時應力-應變線性增加;AB段為屈服階段，此時應力增加緩慢，應變快速增加;BC段為應力強化階段;C點處應力達到135MPa時人為卸載，沒有發生脆性破壞。

　　3.2二次固化時間對應力-應變曲線影響

　　可以看出，二次固化時間≤15min時，力學性質變化不大，仍表現出較強的塑性;二次固化24h時，比例極限、彈性模量等力學參數增大，當軸向應變到達27%時發生脆性破壞，伴隨炸裂聲響。

　　3.3低溫冷凍對應力-應變曲線影響

　　最大軸向應力可達64MPa，首先是線彈性變形，之后屈服，最后炸裂和碎塊彈射。其力學響應同二次固化24h基本一致，可見，冷凍處理和延長二次固化時間均可提高脆性，含預制幣形裂紋達到比例極限之后應力略有下降，產生一定松弛。

　　3.4加載速率對應力-應變曲線影響

　　選取二次固化10min的試件進行試驗，可以看出，加載速率影響試件峰值強度和彈性模量，加載速率越大，試件峰值強度越大，加載速率越大，試件彈性模量越大，這與巖石、金屬等材料力學響應基本一致[14]。

　　建筑論文投稿刊物：《礦物巖石地球化學通訊》Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry(雙月刊)曾用刊名：礦物巖石地球化學通訊，1982年創刊，是一份由中國礦物巖石地球化學學會與中國科學院地球化學研究所共同主辦、面向廣大地質地球化學工作者及有關科技人員的綜合性地學學術刊物。本刊為雙月刊，國內外公開發行。

　　4結論

　　(1)低溫冷凍、增加二次固化時間、預制內部宏觀裂紋等后處理方式均能提高打印樹脂的彈性模量，使打印樹脂由塑性材料轉變為脆性材料。(2)未進行后處理時，打印樹脂材料單軸壓縮力學性能分為彈性、屈服、強化3個階段，試件壓縮不會產生脆性破壞;經過低溫冷凍、延長二次固化時間等后處理手段，打印樹脂單軸壓縮發生一定屈服后崩裂破壞。(3)大幅度提高三維打印半透明樹脂的透明性和脆性還需要從打印原材料、打印工藝入手尋求解決方案。

　　參考文獻:

　　[1]江權，宋磊博.3D打印技術在巖體物理模型力學試驗研究中的應用研究與展望[J].巖石力學與工程學報，2018，37(1):23-37.JIANGQ，SONGLB.Applicationandprospectof3Dprintingtechnologytophysicalmodelinginrockmechanics[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2018，37(1):23-37.

　　[2]王培濤，劉雨，章亮，等.基于3D打印技術的裂隙巖體單軸壓縮特性試驗初探[J].巖石力學與工程學報，2018，37(2):364-373.WANGPT，LIUY，ZHANGL，etal.Preliminaryexperimentalstudyonuniaxialcompressivepropertiesof3Dprintedfracturedrockmodels[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2018，37(2):364-373.

　　作者：劉華博1，孟凡凈1，花少震1，王浩2