3D打印參數(shù)對(duì)制品層間黏結(jié)性能的影響

喻 紅，楊孟茹，吳 悠，姚京京，史寶璐，李小強(qiáng)，胡 晶

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，塑料衛(wèi)生與安全質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

0 前言

以熱塑性塑料為原料，采用FDM[1-3]工藝，可以實(shí)現(xiàn)各種形狀復(fù)雜原型的三維(3D)打印[4-6]，由于操作簡(jiǎn)單、材料價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)，該方法率先得到了桌面化應(yīng)用。FDM技術(shù)是將絲狀材料擠入噴頭內(nèi)加熱至熔點(diǎn)以上，按照設(shè)定好的分層及成型路徑，在控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下，將材料逐層堆積成與模型形狀一致的實(shí)體的過程[7]。而3D打印成品的力學(xué)性能，則是決定該技術(shù)能否代替注塑工藝進(jìn)而推廣應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)[8]。

目前許多學(xué)者對(duì)FDM加工工藝參數(shù)對(duì)制品力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究，Ziemian等[9]針對(duì)ABS絲料研究了填充角度對(duì)制品斷裂拉伸強(qiáng)度及疲勞性能的影響；Galantucci等[10]分析了層高、打印速度等工藝參數(shù)對(duì)制品表面粗糙度的影響；遲百宏等[11]通過對(duì)比ABS及PLA耗材，研究了構(gòu)建取向?qū)χ破妨W(xué)性能的影響，并與注塑試樣進(jìn)行了對(duì)比。有學(xué)者研究了3D打印的 PLA材料，認(rèn)為PLA 材料是脆性的并且在彈性階段呈各向異性[12]，但在使用模擬手段研究其打印性能時(shí)，為建模方便，也可以將其當(dāng)作各向同性的材料來建模[13]22。3D打印制品的力學(xué)性能與成型時(shí)絲材間的層間黏結(jié)性能有關(guān)[14]，打印過程中所出現(xiàn)的斷層、開裂、翹曲等問題都與絲材之間的黏結(jié)強(qiáng)度有關(guān)，而絲材的黏結(jié)強(qiáng)度又與走絲路徑、層高、噴頭溫度等工藝參數(shù)密切相關(guān)。但是受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，絲材的黏結(jié)情況很難實(shí)時(shí)判斷，目前多采用模擬的方法進(jìn)行研究分析[13]2[15]。

本文使用桌面3D打印機(jī)制備不同材料、不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)的拉伸和沖擊試樣，依據(jù)拉伸和沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析材料、層高、噴頭溫度等參數(shù)對(duì)制品層間黏結(jié)情況的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

ABS，3D打印線，B-501-01，北京殷華激光快速成型與模具技術(shù)有限公司；

PLA，3D打印線，1.75 mm，浙江閃鑄三維科技有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

桌面3D打印機(jī)，Creater Pro，浙江閃鑄三維科技有限公司；

組合式數(shù)顯沖擊試驗(yàn)機(jī)，XJZ-50，承德試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司；

微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，CMT6104，深圳市新三星計(jì)量技術(shù)有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，Quanta FEG2500，美國(guó)FEI公司。

1.3 樣品制備

根據(jù)GB/T 1040.2—2006確定拉伸試樣的基本尺寸，采用Pro/E軟件繪制3D模型，并轉(zhuǎn)為STL切片數(shù)據(jù)格式，然后導(dǎo)入機(jī)器自帶的工藝控制軟件中設(shè)置打印參數(shù)以形成3D打印模型包；打印試樣的填充角度如圖1所示；

圖1 試樣的填充角度示意圖Fig.1 Fill angle diagram of the specimen

前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于該打印機(jī)型，當(dāng)平臺(tái)溫度低于100 ℃時(shí)，打印模型首層不能牢固粘住平臺(tái)，無法順利打印，故本實(shí)驗(yàn)固定平臺(tái)溫度為105 ℃，制品填充密度為100 %；打印ABS試樣的噴頭溫度變化范圍為215～230 ℃，PLA試樣噴頭的溫度變化范圍為175～195 ℃，試樣打印的層高變化范圍均為0.05～0.25 mm。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

拉伸性能按GB/T 1040.2—2006測(cè)試，室溫，拉伸速率為4 mm/min；

沖擊強(qiáng)度按GB/T 1843—1996測(cè)試，室溫，無缺口樣條，擺錘能量為2.0 J；

SEM分析:樣品在液氮中脆斷后，對(duì)斷面進(jìn)行噴金處理，在10 kV電壓下進(jìn)行掃描，通過SEM觀察其斷裂面形貌以及絲材之間的黏結(jié)狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 層高對(duì)黏結(jié)性能的影響

材料是3D打印的基礎(chǔ)，決定了成型工藝和成型件的性能。ABS樹脂是目前使用最多的成型材料，具有強(qiáng)度高、韌性好、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，但在打印時(shí)易出現(xiàn)模型冷卻過程中由熱應(yīng)力所引起的翹曲變形。另外，PLA是一種可生物降解的環(huán)保材料，也是 FDM成型中常用的材料之一。為了對(duì)比2種材料3D打印成型時(shí)的層間黏結(jié)情況，在保持打印噴頭溫度為220 ℃、平臺(tái)溫度為105 ℃、填充密度為100 %不變的條件下，分別設(shè)定打印層高為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mm，分別研究打印層高對(duì)ABS和PLA試樣拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率及表面品質(zhì)的影響。打印試樣的脆斷斷口形貌如圖2所示，可以看出，ABS和PLA試樣均隨層高的增加，絲材間的黏結(jié)狀況逐漸下降。當(dāng)PLA的層高為0.05 mm時(shí)，斷面光滑，各層絲材黏結(jié)緊密，幾乎沒有孔隙，隨著打印層高的增加，斷面層間孔隙逐漸增大，絲材黏結(jié)面積明顯減小。

試樣類型，層高/mm：(a)ABS，0.1 (b)ABS，0.15 (c)ABS，0.2 (d)PLA，0.05 (e)PLA，0.2 (f)PLA，0.25圖2 ABS和PLA打印試樣脆斷口的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM of wetting-off cross-sectionalof ABS and PLA samples

(a)拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率 (b)沖擊強(qiáng)度圖3 不同層高對(duì)ABS試樣力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of different stratum height on mechanical properties of ABS sample

層高對(duì)ABS試樣力學(xué)性能的影響如圖3所示。由圖3(a)可知，隨著層高的增加，試樣的拉伸強(qiáng)度下降，斷裂伸長(zhǎng)率上升，表明此階段樣條的抗拉能力減弱，而韌性增強(qiáng)。層高的增加使絲狀材加粗，從而增強(qiáng)了材料的韌性，但層高增加，同時(shí)也減小了絲狀材之間的接觸面積，致使試樣間的黏結(jié)性能下降，所以拉伸強(qiáng)度也會(huì)隨之下降，與SEM的結(jié)果一致。當(dāng)層高繼續(xù)增加時(shí)，絲材增粗對(duì)試樣拉伸性能的提高起到了主要影響作用，故試樣的拉伸強(qiáng)度會(huì)重新有所提高。

由圖3(b)可知，隨著層高的增加，打印材料的沖擊強(qiáng)度總體呈下降的趨勢(shì)，這也是由于隨著打印絲材的加粗，致使接觸面積減小，從而導(dǎo)致試樣的黏結(jié)性能下降，繼而導(dǎo)致沖擊強(qiáng)度下降。此外45 °的填充面使絲材受力不均，其基本沿著狀材呈45 °方向斷裂。

層高變化對(duì)PLA試樣性能的影響如圖4所示。隨著層高的增加，PLA試樣的拉伸強(qiáng)度下降，表明此階段樣條的抗拉能力減弱，其變化規(guī)律與ABS材料基本一致；但斷裂伸長(zhǎng)率的變化與ABS不同，PLA材料的3D打印試樣，隨著層高的增加，斷裂伸長(zhǎng)率降低，絲材的增粗并未起到增韌的效果，主要是與PLA材料本身脆性較高，韌性較差有關(guān)。試樣打印層高的減小，在試樣的各個(gè)方向上均有利于形成致密的結(jié)構(gòu)，并且有利于增加打印絲之間的結(jié)合力，從而有利于提高試樣的力學(xué)性能[16]。ABS的拉伸強(qiáng)度最高可達(dá)30 MPa，PLA試樣的拉伸強(qiáng)度基本分布在0.75～1 MPa之間，說明試樣的力學(xué)性能主要受材料本身性能的影響，力學(xué)性能優(yōu)異的材料是3D打印技術(shù)工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。

圖4 不同層高對(duì)PLA試樣力學(xué)性能的影響Fig.4 Effect of different storey on the mechanical properties of PLA samples

2.2 噴頭溫度對(duì)試樣力學(xué)性能的影響

3D打印機(jī)工作時(shí)，噴頭內(nèi)部的打印材料是由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的一個(gè)熱傳遞的過程，噴頭溫度的控制決定了打印材料的黏結(jié)性、流動(dòng)性。其不僅影響打印精度，也影響打印過程的連續(xù)性，更直接影響3D打印產(chǎn)品的品質(zhì)，因此噴頭的溫度控制尤為重要。對(duì)于層高為0.2 mm的試樣，溫度對(duì)ABS和PLA試樣拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率的影響如圖5所示。

由圖5可知，隨著噴頭溫度的升高，試樣的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率逐漸上升，即材料的拉伸性能及韌性均隨噴頭溫度的上升而增強(qiáng)。在本實(shí)驗(yàn)研究的溫度范圍內(nèi)，熔體溫度越高，試樣的力學(xué)性能越好。根據(jù)分子熱擴(kuò)散理論，溫度越高，分子鏈纏繞越多，絲材黏結(jié)情況越好，力學(xué)性能越高。在打印溫度較低時(shí)，絲材在經(jīng)過噴嘴時(shí)熔融狀態(tài)較差，熔體黏度較高，在熔融堆積過程中，層與層之間的黏結(jié)效果較差，因此，升高打印溫度有利于層與層之間的黏合，從而提高試樣的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

(a)ABS (b)PLA圖5 噴頭溫度對(duì)試樣力學(xué)性能的影響Fig.5 Effect of sprayer temperature on mechanical properties of the specimen

2.3 退火對(duì)試樣力學(xué)性能的影響

為分析退火處理對(duì)3D打印試樣力學(xué)性能的影響，對(duì)之前得到的ABS和PLA試樣均采用烘箱溫度為65 ℃、保溫6 h、自然冷卻的方法對(duì)樣條進(jìn)行退火處理，得到試樣退火前后的拉伸性能對(duì)比如圖6所示。

1—退火前ABS的拉伸強(qiáng)度 2—退火后ABS的拉伸強(qiáng)度 3—退火后ABS的斷裂伸長(zhǎng)率 4—退火前ABS的斷裂伸長(zhǎng)率 5—退火前PLA的斷裂伸長(zhǎng)率 6—退火后PLA的斷裂伸長(zhǎng)率 7—退火前PLA的拉伸強(qiáng)度 8—退火后PLA的拉伸強(qiáng)度(a)ABS (b)PLA圖6 ABS和PLA試樣退火前后力學(xué)性能的變化Fig.6 Changes of mechanical properties of ABS and PLA specimen before and after annealing

由圖6(a)可知，ABS試樣在退火前后的拉伸性能及韌性變化趨勢(shì)一致。試樣的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率在退火后均有提高，且趨于穩(wěn)定狀態(tài)。由于試件打印成形過程中的冷卻速度過快，在沿填充路徑方向會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在試件的長(zhǎng)度和寬度方向產(chǎn)生殘余應(yīng)力分量[17]。殘余應(yīng)力的存在削弱了試件的最大拉伸應(yīng)力，增大了試件在小應(yīng)力范圍內(nèi)斷裂的可能。而熱處理作用使試樣軟化，殘余應(yīng)力得到釋放，層與層之間的黏結(jié)狀況得到改善。

PLA試樣的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率在退火后均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。PLA材料在該溫度下發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，由于溫度相對(duì)較低，未達(dá)到鏈段運(yùn)動(dòng)的能量[18]，此時(shí)PLA材料會(huì)產(chǎn)生較小的形變，從而使試樣彎曲變形的情況加劇，層與層之間有分離的趨勢(shì)，致使PLA試樣的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率下降。在相同的退火溫度下，ABS退火后的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率上升，而PLA的性能卻下降，充分顯現(xiàn)了材料本身結(jié)構(gòu)性能對(duì)退火處理結(jié)果的影響。

3 結(jié)論

(1) 3D打印試樣的力學(xué)性能與制品的層間黏結(jié)強(qiáng)度有關(guān)，層高變化對(duì)PLA試樣黏結(jié)性能的影響基本與ABS保持一致，即隨著層高增加，絲材間的接觸面積變小，層與層之間的黏結(jié)性能下降，力學(xué)性能變差；

(2)打印材料的黏結(jié)強(qiáng)度與噴頭的溫度有關(guān)，噴頭溫度越高，材料經(jīng)過噴嘴處的熔融狀態(tài)，層與層之間的黏結(jié)力就越大，接觸面間的黏結(jié)性能就越好，因此，在加工范圍內(nèi)提高溫度有助于提高PLA和ABS試樣的力學(xué)性能；

(3)試樣退火后的力學(xué)性能與材料密切相關(guān)，ABS樣條退火后樣條去除了大量的殘余應(yīng)力，試樣的力學(xué)性能呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)，層與層之間的黏結(jié)力改善；PLA樣條退火后樣條翹曲、變形及開裂的現(xiàn)象加劇，拉伸強(qiáng)度和韌性下降。

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