大直徑PLA長(zhǎng)絲對(duì)3D打印構(gòu)件力學(xué)性能的影響

權(quán)利軍 李丹丹 趙勇 祝成炎

摘 要：熔融沉積型3D打印機(jī)通過(guò)累積疊加大直徑長(zhǎng)絲形成構(gòu)件，鑒于聚乳酸長(zhǎng)絲在熔融沉積型3D打印機(jī)上的大量使用，本文重點(diǎn)研究了大直徑聚乳酸長(zhǎng)絲的直徑、排列方式、排列密度對(duì)3D打印構(gòu)件力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：聚乳酸長(zhǎng)絲排列越緊密，所打印出構(gòu)件的拉伸斷裂強(qiáng)度越好；同等情況下，聚乳酸長(zhǎng)絲以同心線方式排列的構(gòu)件其拉伸斷裂強(qiáng)度最好；當(dāng)填充密度小于100%時(shí)，由0.4 mm聚乳酸長(zhǎng)絲構(gòu)成的3D打印構(gòu)件機(jī)械性能更好。

關(guān)鍵詞：FDM型3D打??；大直徑PLA長(zhǎng)絲；拉伸斷裂強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TS102.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2017）03-0011-06

Effect of Large-Diameter PLA Filament on Mechanical

Properties of 3D Printing Component

QUAN Lijun， LI Dandan， ZHAO Yong， ZHU Chengyan

（Silk Institure， Collcge of Materials and Textiles， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：FDM（fused deposition modeling） 3D printer forms the component through accumulating large-diameter filaments. In view of the extensive use of polylactic acid filaments in FDM 3D printer， the effects of diameter， arrangement and arrangement density of large-diameter polylactic acid filaments on the mechanical properties of 3D printing component were mainly studied in this paper. The experimental results demonstrate that the tensile failure strength of the polylactic acid filaments is better when the filaments are arranged closely； under the same conditions， the component with the arrangement mode of concentric line has the best tensile failure strength. When the packing density is less than 100%， the mechanical property of the component printed by the 0.4mm polylactic acid filament is better than that of the component printed by 0.2 mm polylactic acid filament.

Key words：FDM 3D printing； large-diameter PLA filament； tensile failure strength

大直徑聚乳酸單絲是指直徑從0.08 mm到5 mm之間的單根聚乳酸長(zhǎng)絲[1]，聚乳酸（PLA）是一種生物可降解材料，采用玉米、小麥、甜菜等可再生的植物資源經(jīng)由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌種發(fā)酵制成高純度的乳酸，再經(jīng)縮聚和熔融紡絲制成[2-4]。PLA纖維由于具有良好的親水性、卷曲性、抗菌性、耐紫外光等，因此PLA纖維已成為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的綠色環(huán)保材料之一，受世人關(guān)注，并已應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、服裝、漁業(yè)、衛(wèi)生醫(yī)療等領(lǐng)域[5-7]。PLA目前一個(gè)重要的用途是作為熔融沉積（FDM）3D打印機(jī)的線材，由于用PLA打印時(shí)釋放無(wú)刺激性氣味；打印成型構(gòu)件尺寸穩(wěn)定；可生物降解等優(yōu)勢(shì)，因此大直徑PLA長(zhǎng)絲在3D打印領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[8-9]。

3D打印是新產(chǎn)業(yè)革命背景下的標(biāo)志性技術(shù)之一，將對(duì)未來(lái)人類(lèi)的制造方式、消費(fèi)方式和管理方式產(chǎn)生巨大而深刻的影響[10]，特別是在進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)3D打印技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展迅速。隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的構(gòu)件將用3D打印的方式制作，熔融沉積型（FDM）3D機(jī)又是一種使用最普遍的打印機(jī)類(lèi)型。FDM型3D打印機(jī)是通過(guò)累積疊加大直徑長(zhǎng)絲來(lái)形成構(gòu)件的，其常用耗材是PLA線材，要提高打印構(gòu)件的力學(xué)性能，擴(kuò)大其在工業(yè)中的應(yīng)用范圍，就必須研究大直徑長(zhǎng)絲對(duì)3D打印構(gòu)件力學(xué)性能的影響，本文重點(diǎn)研究大直徑聚乳酸長(zhǎng)絲的直徑、排列方式、排列密度對(duì)FDM型3D打印構(gòu)件力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

使用的實(shí)驗(yàn)材料和儀器如表1所示。

1.2 FDM型打印機(jī)成型原理及試樣模型設(shè)計(jì)

FDM系統(tǒng)主要包括噴頭、擠出電機(jī)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱頭、底板5個(gè)部分，熔融沉積使用的材料為線材，將低熔點(diǎn)的線材通過(guò)加熱器的擠壓頭融化成液體，使融化后的熱塑線材絲通過(guò)噴頭擠出，擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，擠出半流動(dòng)的熱塑材料沉積固化成精確的實(shí)際部件薄層，覆蓋于已建造的零件之上，并在短時(shí)間內(nèi)迅速凝固，每完成一層成型，工作臺(tái)便下降一層高度，噴頭再進(jìn)行下一層截面的掃描噴絲，如此反復(fù)逐層沉積，直到最后一層，這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個(gè)實(shí)體模型或零件工作原理如圖1，其中大直徑PLA長(zhǎng)絲是PLA線材經(jīng)加熱頭加熱后由噴頭擠出。

利用3D-max軟件制作拉伸試樣的三維模型以及長(zhǎng)×寬×高分別為0.2 mm×0.2 mm×100 mm和0.4 mm×0.4 mm×100 mm的大直徑PLA長(zhǎng)絲的三維模型，如圖2所示。

根據(jù)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法以及打印機(jī)所能打印的尺寸范圍，現(xiàn)設(shè)計(jì)拉伸試樣的模型尺寸如下：總長(zhǎng)175 mm，夾具間距離105 mm，中間平行部分長(zhǎng)度65 mm，端部寬度20 mm，厚度5 mm，中間平行部分寬度10 mm，半徑60 mm，如圖3所示。

1.3 試樣的制備

將用3D-MAX軟件設(shè)計(jì)的拉伸試樣模型導(dǎo)入到3D打印軟件中，利用切片軟件進(jìn)行切片，設(shè)置好實(shí)驗(yàn)參數(shù)開(kāi)始打印工作。3種主要因素可以影響打印完成后拉伸試樣的力學(xué)特性，分別是：噴嘴直徑，噴嘴直徑?jīng)Q定了所噴出大直徑PLA長(zhǎng)絲的直徑大?。ㄒ韵潞?jiǎn)稱單絲直徑）；填充密度，填充密度指大直徑PLA長(zhǎng)絲在成型構(gòu)件中排列的緊密度；填充圖案，填充圖案指打印過(guò)程中大直徑PLA長(zhǎng)絲的鋪層方式，也可以用噴頭移動(dòng)的路徑來(lái)表示，也代表大直徑PLA長(zhǎng)絲在打印實(shí)物中的排列方式。本實(shí)驗(yàn)分別選取0.2 mm和0.4 mm兩種直徑的噴頭來(lái)打印，填充密度可選擇1%～100%，填充圖案分別選擇：線、網(wǎng)格、同心線，如圖4中的（a）、（b）、（c）所示。在打印過(guò)程中，由噴嘴噴出的大直徑PLA長(zhǎng)絲在底板沉積，底板的溫度設(shè)定為50 ℃，為使打印的拉伸試樣力學(xué)性能較好，噴頭溫度設(shè)定為220 ℃[11]，所以剛噴出的大直徑PLA長(zhǎng)絲，沉積在底板上時(shí)仍然會(huì)因?yàn)闆](méi)有完全固化而發(fā)生變形，大直徑PLA長(zhǎng)絲之間也會(huì)相互粘附，當(dāng)填充密度越小，變形空間也越大，變形之后層片上會(huì)留下不規(guī)則的溝槽，造成試樣的應(yīng)力缺陷，當(dāng)填充密度低于60%，不規(guī)則溝槽較為明顯，本實(shí)驗(yàn)中的填充密度分別選擇60%、80%、100%，按以上要求完成拉伸試樣的制備。

2 結(jié)果與分析

2.1 大直徑PLA長(zhǎng)絲拉伸斷裂強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

斷裂強(qiáng)度是指材料發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力與斷裂橫截面積的比值，其公式為：

σt=p/（a·b）（1）

式中：σt為拉伸強(qiáng)度MPa；p為最大負(fù)荷N；a為試樣寬度mm；b為試樣厚度mm。

利用YG001E型電子單纖維強(qiáng)力儀對(duì)制備的大直徑PLA長(zhǎng)絲的斷裂強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明0.2 mm的大直徑單根PLA長(zhǎng)絲的拉伸斷裂強(qiáng)度平均值為55.5 MPa，0.4 mm大直徑單根PLA長(zhǎng)絲的拉伸斷裂強(qiáng)度平均值為55.6 MPa，0.2 mm和0.4 mm噴嘴所噴出的大直徑PLA長(zhǎng)絲的拉伸斷裂強(qiáng)度只有細(xì)微差別，考慮到實(shí)驗(yàn)誤差的因素，可以排除噴嘴直徑對(duì)所噴出PLA長(zhǎng)絲拉伸斷裂強(qiáng)度的影響。

2.2 拉伸試樣斷面和表面觀察與分析

用顯微鏡對(duì)拉伸試樣的表面和斷面進(jìn)行觀察得到圖5。對(duì)比圖5（a）、圖5（b）發(fā)現(xiàn)，在圖5（a）的斷面中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)像圖5（b）中分散的大直徑PLA長(zhǎng)絲，而是融為一體，這是因?yàn)閯倧膰婎^噴出的大直徑PLA長(zhǎng)絲的溫度并沒(méi)有迅速降低，而是在熱床上緩慢降溫（聚乳酸的熔點(diǎn)155～185 ℃），溫度由205 ℃緩慢降到50 ℃，剛從噴嘴噴出的大直徑PLA長(zhǎng)絲仍然處于粘流態(tài)（聚乳酸的粘流溫度110～115 ℃），此時(shí)PLA長(zhǎng)絲中的大分子鏈處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，大分子鏈會(huì)和周?chē)佑|的大分子鏈之間發(fā)生相互運(yùn)動(dòng)[12]，這會(huì)導(dǎo)致在此期間相鄰的大直徑PLA長(zhǎng)絲之間相互融為一體，而100%填充密度下試樣中是沒(méi)有空隙的，試樣中的大直徑PLA長(zhǎng)絲之間相互緊密接觸。因此便呈現(xiàn)了圖5（a）中的完整斷截面形態(tài)，而非分散狀的大直徑PLA長(zhǎng)絲。

圖5中的（c）、（d）、（e）試樣表面上存在溝槽，這主要是因?yàn)榇笾睆絇LA長(zhǎng)絲的某些片段發(fā)生塌陷或與相鄰的PLA長(zhǎng)絲之間發(fā)生粘附作用而產(chǎn)生的，這將使單根PLA長(zhǎng)絲的強(qiáng)力降低。相同填充密度下用網(wǎng)格充當(dāng)填充圖案的試樣，其表面溝槽最為明顯，其次是用線型充當(dāng)填充圖案的試樣，最不明顯的是用同心線充當(dāng)填充圖案的試樣。因?yàn)闇喜鄣拇嬖趯?huì)使得大直徑PLA長(zhǎng)絲的強(qiáng)力受損，試樣在應(yīng)力方向上將存在應(yīng)力缺陷，所以同等情況下溝槽數(shù)量越多，試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度降低的越多。

觀察圖5中的（d）、（f）會(huì)發(fā)現(xiàn)在相同填充密度和填充圖案的情況下，0.2 mm噴嘴打印的試樣，其中的溝槽要比0.4 mm噴嘴打印的試樣中的溝槽大且多，這是因?yàn)閲娮斓臏囟葹?05 ℃而聚乳酸從高彈態(tài)向粘流態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度為130 ℃，剛從噴嘴噴出的大直徑PLA長(zhǎng)絲由于仍然處在粘流態(tài)而容易發(fā)生變形，特別是兩根大直徑PLA長(zhǎng)絲相接觸的地方會(huì)由于分子鏈的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生相互融合，這樣會(huì)使大直徑PLA長(zhǎng)絲失去表觀形態(tài)的完整性而導(dǎo)致應(yīng)力缺陷，所以相對(duì)于0.4 mm噴嘴，0.2 mm噴嘴打印的試樣其拉伸斷裂強(qiáng)度更低，這種規(guī)律也同樣適用于其他填充圖案的試樣。

2.3 填充密度對(duì)試樣拉伸斷裂強(qiáng)度的影響

圖6為直徑為0.2 mm的噴頭打印出的不同填充密度和不同填充圖案的拉伸斷裂強(qiáng)度折線圖，圖7為0.4 mm的噴頭打印出的不同填充密度和不同填充圖案的拉伸斷裂強(qiáng)度折線圖。

在用FDM型3D打印機(jī)制作拉伸試樣時(shí)，噴嘴直徑的選擇不影響耗材的使用量，因?yàn)楫?dāng)噴嘴的直徑減小一半時(shí)，在長(zhǎng)度和高度方向上打印的次數(shù)都要加倍，如此在打印相同長(zhǎng)度和高度的試樣時(shí)0.2 mm噴嘴需要走過(guò)4倍于0.4 mm噴嘴的路徑，而單位長(zhǎng)度上0.4 mm噴嘴噴出的PLA長(zhǎng)絲的體積是0.2 mm噴嘴噴出PLA長(zhǎng)絲體積的4倍，所以打印相同形狀的標(biāo)準(zhǔn)試樣，當(dāng)噴嘴直徑和填充密度為定量時(shí)，試樣斷截面上大直徑PLA長(zhǎng)絲的數(shù)量相同；當(dāng)噴嘴直徑和填充圖案一致時(shí)，隨著填充密度增加，試樣橫截面上大直徑PLA長(zhǎng)絲的數(shù)量也會(huì)增加。

如圖6和圖7所示，隨著填充密度的增加，同種填充圖案的試樣其拉伸斷裂強(qiáng)度值在增大，這是因?yàn)殡S著填充密度的增加，試樣斷截面上大直徑PLA長(zhǎng)絲的數(shù)量在增加，由公式σt=p/（a·b）可知；在a和b不變時(shí)，當(dāng)最大負(fù)荷p變大，拉伸斷裂強(qiáng)度σt的值也變大，因此當(dāng)試樣中的大直徑PLA長(zhǎng)絲的直徑和排列方式一致時(shí)，試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度將隨著填充密度的增大而增大。

圖6和圖7同時(shí)表明，當(dāng)打印的填充密度為100%時(shí)0.2 mm噴嘴打印的3種填充圖案的試樣，其拉伸斷裂強(qiáng)度值都在55.6 MPa附近，0.4 mm噴嘴打印的3種填充圖案的試樣，其拉伸斷裂強(qiáng)度值都在55.7 MPa附近。這說(shuō)明分別用0.2 mm和0.4 mm噴嘴制作的3種填充圖案的拉伸試樣，當(dāng)填充密度為100%時(shí)，試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)可認(rèn)為是一致的。

2.4 填充圖案對(duì)試樣拉伸斷裂強(qiáng)度的影響

如圖8所示，當(dāng)填充密度為100%時(shí)，3種填充圖案下的拉伸試樣其拉伸斷裂強(qiáng)度值基本為一條水平線，此現(xiàn)象在上文中已解釋。當(dāng)填充密度為60%或80%時(shí)，填充圖案為同心線的試樣拉伸斷裂強(qiáng)度最大，填充圖案為網(wǎng)格的試樣拉伸斷裂強(qiáng)度最小，居于二者之間的是填充圖案為線型的試樣，即當(dāng)填充密度為60%或80%時(shí)，試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度值，試樣（同心線）>試樣（線）>試樣（網(wǎng)格）。當(dāng)噴嘴直徑和填充密度為定量時(shí)，試樣橫截面上大直徑PLA長(zhǎng)絲的數(shù)量相同，但是如圖4（a）、圖4（b）所示，線型圖案和網(wǎng)格圖案中大直徑PLA長(zhǎng)絲的排列都與試樣長(zhǎng)度方向呈θ角，這就使得PLA長(zhǎng)絲的拉伸斷裂強(qiáng)力在拉伸過(guò)程中有一部分力沿試樣的徑向上分散，即實(shí)際拉應(yīng)力為：∑f=tanθ·f，式中∑f表示總的大直徑PLA長(zhǎng)絲在試樣長(zhǎng)度方向上所承受的拉應(yīng)力，f表示單根大直徑PLA長(zhǎng)絲所承受的拉應(yīng)力。

2.5 噴嘴直徑對(duì)試樣拉伸斷裂強(qiáng)度的影響

圖9表示的是同心線型填充圖案下，由不同直徑噴嘴打印的試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度。由圖9可知，當(dāng)填充密度為60%或80%時(shí)用同心線充當(dāng)填充圖案的試樣，隨著噴嘴直徑的增加其拉伸斷裂強(qiáng)度值在增加，而且隨著填充密度的增大這種增大的趨勢(shì)也越不明顯。由上文分析得知噴嘴的直徑大小并不影響所噴出大直徑PLA長(zhǎng)絲的斷裂拉伸強(qiáng)度，同樣由圖9可知，當(dāng)填充密度為100%時(shí)，用同心線充當(dāng)填充圖案的試樣其拉伸斷裂強(qiáng)度值不受?chē)娮熘睆降挠绊憽?/p>

3 結(jié) 論

a） 0.2 mm和0.4 mm噴頭的直徑，不會(huì)影響FDM型3D打印機(jī)所噴出的大直徑PLA長(zhǎng)絲的拉伸斷裂強(qiáng)度。

b） 隨著填充密度的增大，F(xiàn)DM型3D打印構(gòu)件的拉伸斷裂強(qiáng)度在增大；當(dāng)填充密度為100%時(shí)，大直徑PLA長(zhǎng)絲的排列方式和直徑不會(huì)影響FDM型3D打印構(gòu)件的拉伸斷裂強(qiáng)度。

c） 同一噴嘴直徑下，當(dāng)填充密度小于100%時(shí)，構(gòu)件拉伸斷裂強(qiáng)度特點(diǎn)是：構(gòu)件中PLA長(zhǎng)絲按同心線方式排列的拉伸斷裂強(qiáng)度最大；PLA長(zhǎng)絲按線型方式排列的拉伸斷裂強(qiáng)度居中；PLA長(zhǎng)絲按網(wǎng)格排列的試樣拉伸斷裂強(qiáng)度最小。

d） 當(dāng)填充密度小于100%且PLA長(zhǎng)絲排列方式一致時(shí)，由0.4 mm PLA長(zhǎng)絲所打印的構(gòu)件，其拉伸斷裂強(qiáng)度較大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬海燕.大直徑聚合物單絲成形機(jī)理及結(jié)構(gòu)性能研究[D].上海：東華大學(xué)，2011.

[2] 李孝紅，黃志鏜.聚乳酸及其共聚物的合成和在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用[J].高分子通報(bào)，1999（1）：24-32.

[3] 馬強(qiáng)，楊青芳，姚軍燕.聚乳酸的合成研究[J].高分子材料科學(xué)與工程，2004，20（3）：21-24.

[4] SUNG M W，朱華，張建春.用玉米制作的合成聚乳酸纖維[J].國(guó)外紡織技術(shù)，2003（9）：5-7.

[5] 張國(guó)棟，顧忠偉.聚乳酸的研究進(jìn)展[J].化學(xué)進(jìn)展，2000，12（1）：89-102.

[6] CAI X， TONG H， SHEN X， et al. Preparation and characterization of homogeneous chitosan-polylactic acid/hydroxyapatite nanocomposite for bone tissue engineering and evaluation of its mechanical properties[J]. Acta Biomaterialia， 2009，5（7）：2693-2703.

[7] JUNTUEK P， RUKSAKULPIWAT C， CHUMSAMRONG P， et al. Effect of glycidyl methacrylate-grafted natural rubber on physical properties of polylactic acid and natural rubber blends[J]. Journal of Applied Polymer Science， 2012，125（1）：745-754.

[8] 杜宇雷，孫菲菲，原光，等.3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，29（1）：20-24.

[9] GIORDANO R A， WU B M， BORLAND S W， et al. Mechanical properties of dense polylactic acid structures fabricated by three dimensional printing[J]. Journal of Biomaterials Science， Polymer Edition， 1997，8（1）：63-75.

[10] 王忠宏，李揚(yáng)帆，張曼茵.中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟(jì)縱橫，2013（1）：90-93.

[11] 金澤楓，金楊福，周密，等.基于FDM聚乳酸3D打印材料的工藝性能研究[J].塑料工業(yè)，2016，44（2）：67-70.

[12] 宋謀道，朱吉亮，張邦華，等.可生物降解的聚乳酸彈性體的性能研究[J].高分子學(xué)報(bào)，1998，1（4）：393-398.