夜雨聆风采用熔丝制造（FFF）工艺打印的3D打印试样的拉伸性能是广泛研究的课题。研究表明，打印冷却风扇产生的强制对流对打印质量和拉伸性能有显著影响，因为聚合物的冷却速率强烈控制着层间粘合。打印风扇转速通常在整次打印过程中保持恒定，但在打印过程中改变风扇冷却具有在局部调控层间强度、从而控制断裂位置的潜力。本工作展示了选择性冷却打印区域的效果，目的是通过修改打印GCODE以实施定制化的风扇冷却策略，在这些区域可重复地诱导失效。通过ASTM D638拉伸测试以及测试前后的光学轮廓测量对样品进行分析，我们证明风扇冷却可用于在打印样品的用户指定区域诱导失效，为FFF零件的定制化开辟了新途径。
1 引言
熔丝制造（FFF）是一种增材制造形式，它将热塑性材料挤入层中形成零件。这会形成层间界面，作为内置的薄弱点，导致机械性能较差且各向异性。碳纤维填充的聚对苯二甲酸乙二醇酯共聚物（CF-PETG）是一种复合聚合物，与其他碳纤维填充复合材料相比，表现出更好的机械性能（即拉伸强度），同时仍易于打印。
研究表明，打印冷却风扇产生的强制对流对打印床温度和打印质量有显著影响，也影响材料处于玻璃化转变温度（Tg）以上的时间，而后者是决定层间粘合强度的关键因素。本工作旨在扩展先前的研究，证明通过改变风扇冷却设置以冷却狗骨形拉伸样品的特定部分，可以在空间上控制拉伸失效。
本工作的主要目标是利用打印过程中的可编程风扇冷却，在空间上控制层间强度，从而控制断裂位置。为此，打印了垂直平板，在不同层采用不同的风扇冷却设置，然后切出狗骨形样品，以更严格地遵循ASTM D638标准。随后对这些样品进行拉伸测试，以及测试前后的光学轮廓测量，以确定横截面积和断裂位置。本工作展示了一种新工艺，可在FFF中可靠地控制3D打印样品的断裂位置，可用于需要受控失效的应用。
2 方法
2.1 试样制备
使用CF-PETG丝材（Prusa Research）在七种不同冷却条件下打印薄垂直板（75 × 75 × 1.6 mm）。这些条件包括：全程冷却（CO）、全程未冷却（UN）、打印前半段冷却（L0-173）、打印后半段冷却（L174）、标距段冷却（GAGE），以及标距段内两个指定部分冷却（L168-180和L180-192）。风扇开启和/或关闭的层通过直接修改GCODE（使用M106命令）来设置。这些冷却区域如图1所示，用紫色区域表示。
图1. 狗骨形样品，冷却区域以紫色表示
使用Universal Grip Co.的冲头、定制的3D打印对准工具和液压机，按照先前工作中描述的方法，从每块板上冲出三个ASTM D638 V型狗骨形样品。
2.2 拉伸测试
拉伸测试在配备300 lbf载荷传感器的ADMET单轴拉伸试验机上进行。样品固定在气动夹具中，以1 mm/min的速度分离直至失效。每种冷却条件测试六至九个样品。额外一组L0-173狗骨形样品以倒置配置进行测试，以确定加载方向对断裂位置是否有影响。
2.3 光学轮廓测量
使用Keyence V6000光学轮廓仪在拉伸测试前后进行光学轮廓测量。测试前轮廓测量用于确定拉伸样品的外部横截面积（A0），该面积取自分隔0.25 mm的40条线的平均轮廓。还测量了冷却区域起止位置相对于顶部圆角的距离。如图2所示，轮廓仪能够检测到冷却区域厚度的微小变化，即使这些变化肉眼不可见。测试后轮廓测量用于确定断裂位置相对于狗骨形样品顶部圆角的距离。
图2. 显示高度变化的热图，突出显示 (a) L174样品上Lstart的位置和 (b) GAGE样品上Lstart和Lend的位置
3 结果与讨论
3.1 测试前光学轮廓测量结果
测试前横截面积（A0）以及冷却区域起止位置的测量表明，位置测量标准差为两层（0.4 mm），大多数测量值的变化在一层以内（≤0.2 mm）。此外，L0-173和L0-173-REV之间的显著重叠（分别为14.3 ± 0.1和14.6 ± 0.4）表明这些测量具有良好的可重复性。
3.2 拉伸测试结果
ASTM D638要求拉伸样品在标距段内断裂，其拉伸强度才被视为有效。不幸的是，这导致整个GAGE样品组被排除，因为样品切割器的轻微错位以及对样品下半部分的偏置意味着所有样品都在标距段外（1 mm以内）略微断裂。
正如预期，冷却样品比未冷却样品更弱，因为它们可能在Tg以上停留的时间更短，从而减少了层间的愈合。L174样品与冷却样品相当，因为其冷却区域起点与断裂位置之间存在显著重叠，意味着许多样品在冷却区域内断裂。不同寻常的是，尽管L0-173样品在冷却区域内断裂，这些样品的拉伸强度却更接近未冷却样品。L0-173-REV、L168-180和L180-192样品的拉伸强度略低于其他样品组，这可能是因为这三组样品是同时制造的，加工条件的微小变化可能导致了这种差异。
3.3 测试后光学轮廓测量结果
测试后光学轮廓测量表明，断裂位置取决于冷却条件。UN和CO样品显示出较宽的断裂位置范围。图3显示了冷却区域起止位置的测量位置以及测得的断裂位置。在所有考虑的情况下，断裂位置要么局限于冷却区域起止位置周围区域（如L174），要么位于冷却区域内（如L0-173）。
图3. 各样品中Lstart、Lend和xbreak的测量位置
在同时包含冷却起点和终点的样品中，断裂位置被证明是可控制的。所有GAGE、L168-180和L180-192样品都在冷却区域内断裂，无论该冷却区域位于狗骨形样品的何处，这意味着失效位置是可控制的。
4 结论
本工作研究了经受空间变化冷却条件的FFF界面的层间强度，以证明3D打印样品中可控且可预测的失效。按照ASTM D638标准制造拉伸样品，以检查用熔丝制造工艺制成的样品的层间粘合强度。这些样品在程序化冷却条件下打印，旨在诱导打印件预定区域的失效。通过编辑GCODE将某些区域指定为冷却区域、其他区域指定为未冷却区域，可以在打印件的特定位置（几层之内）诱导失效。
结果表明，根据样品冷却位置的不同，可以预测断裂位置，因为它几乎总是在该冷却区域内失效。冷却条件的局部控制可用于制造具有可预测和可定制失效特性的定制打印结构，应用范围超越原型制作和爱好打印。虽然与完全未冷却的样品相比，这降低了试样的拉伸强度，但精细调节失效位置的能力为该工艺增加了额外的可定制维度。
致谢：本研究得到普渡大学机械工程系Andrews奖学金资助。作者感谢Matthew Lange为该项目开发传感器集成的早期迭代，以及Steven Son博士提供万能试验机的使用权。
END
