錫作為3D打印材料的應(yīng)用研究

程 宏，任曉東，王凌青，李 新，龐雪利

(1. 同濟大學(xué) 工程實踐中心，上海 200092)(2. 南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

1 前 言

3D打印技術(shù)自20世紀(jì)80年代以來，經(jīng)過了長足的發(fā)展，從工藝類型上分為熔融沉積打印、分層實體制造打印、選擇性激光燒結(jié)打印和熔融沉積打印4種類型。熔融沉積3D打印機因其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用，但其打印材料比較有限，只能打印ABS、PLA等工程塑料。如何將低熔點金屬應(yīng)用到熔融沉積打印機是一個充滿挑戰(zhàn)性的課題。目前，華中科技大學(xué)秦繼昊等利用自制的熔融沉積快速成型(FDM)系統(tǒng)對低熔點金屬材料Sn99.3Cu0.7的熔融沉積進行了研究，實現(xiàn)了單層和多層金屬的熔融沉積實驗[1]，德克薩斯大學(xué)的Jorge mireles利用Stratasys公司生產(chǎn)的FDM300型號的打印機對市場上常見的幾種低熔點合金焊絲的熔融沉積進行了研究[2]。本文對純錫在熔融沉積打印機上的應(yīng)用進行了理論探討，并從實驗角度進行了相關(guān)研究。

2 ABS、PLA卷材和金屬錫的性能比較

2.1 粘流態(tài)溫度Tf和金屬錫的熔點Tm

熔融沉積打印原理是首先將打印材料熔化，然后將熔化后的材料由擠出機擠出，進而開始模型的三維堆積，材料的形態(tài)發(fā)生了由固相到液相再到固相的變化。ABS和PLA為非晶聚合物，應(yīng)用到熔融沉積打印機時，噴頭的加熱溫度需高于其粘流態(tài)溫度Tf。金屬錫為晶體，噴頭的加熱溫度需高于其熔點Tm[3]。表1為ABS、PLA的粘流態(tài)溫度Tf和金屬錫的熔點Tm。

不同廠家生產(chǎn)的ABS和PLA的粘流態(tài)溫度Tf不同，故表1中的粘流態(tài)溫度Tf為溫度區(qū)間，在實際應(yīng)用時噴頭的加熱溫度為200～270 ℃之間，此加熱溫度高于金屬錫的熔點Tm。因此從熔點上考慮，金屬錫是較為理想的熔融沉積3D打印材料。

表1 ABS、PLA的粘流態(tài)溫度Tf和錫的熔點Tm
Table1TheviscousflowtemperatureTfofABS，PLAandthemeltingpointTmofTin

MaterialTf(℃)Tm(℃)ABS180～250-PLA120～170-Tin-231.96[3]

2.2 力學(xué)性能

卷材既需要具備一定的硬度，以保證在夾緊機構(gòu)的擠壓下不會變形，又需要具有一定的抗拉強度，以保證在夾緊機構(gòu)將卷材融入噴嘴時不會被拉斷。選用北京太爾時代生產(chǎn)的ABS塑料和Polymaker生產(chǎn)的PLA塑料進行力學(xué)性能測試，表2為所測得的ABS、PLA的力學(xué)性能和錫的力學(xué)性能[3]比較。

表2 ABS、PLA和錫的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of ABS, PLA and Tin

依據(jù)上表可知錫的屈服強度介于ABS和PLA塑料之間，硬度比ABS和PLA塑料稍好，抗拉強度和ABS、PLA塑料接近。因此從力學(xué)性能的角度考慮，金屬錫是較為理想的熔融沉積3D打印材料。

2.3 收縮率

材料熱收縮、熱脹冷縮的存在影響模型打印精度[4]。金屬錫是晶體材料，不存在熱收縮，僅存在熱脹冷縮。熔融沉積打印機打印的模型層與層之間依靠自身的粘性粘結(jié)，選用北京太爾時代生產(chǎn)的ABS塑料和polymaker生產(chǎn)的PLA塑料進行特性收縮率及粘度進行測定。表3為所測得的ABS塑料、PLA塑料的收縮率及粘度與錫的收縮率及粘度[3]對比。

由表3可知，錫的收縮率比ABS和PLA的收縮率小5～6個數(shù)量級，基本上可以不用考慮冷卻變形問題。因此，從材料熱收縮和收縮率的角度考慮，金屬錫是理想的熔融沉積3D打印材料。

表3 ABS、PLA塑料和錫的收縮率和粘度
Table3TheshrinkageandviscosityofABS,PLAplasticsandTin

Material Shrinkage(%)ViscosityABS12 dL/gPLA0.26 dL/gTin[3]0.00002670.001593 Pa·s(320 ℃)

2.4 熔化后或軟化后的粘性

熔融沉積打印機打印的模型層與層之間依靠自身的粘性粘結(jié)，選用北京太爾時代生產(chǎn)的ABS塑料和polymaker生產(chǎn)的PLA塑料進行特性粘度測定。結(jié)果如表3所示，表中ABS和PLA塑料的粘度為特性粘度[5]，錫的粘度為動力粘度[3]，依據(jù)經(jīng)驗公式(1)可計算錫的特性粘度[5]：

η=ηm×10(2.48-3300/T)

(1)

式中η為特性粘度，ηm為動力粘度。解得錫的特性粘度為1.3100614315812 ×10-6dL/g，因此錫的粘性差于ABS和PLA塑料，這也可能會影響錫用作熔融沉積打印機打印材料。

3 錫絲打印實驗

設(shè)置打印速度為60 mm/s，打印溫度為240 ℃，打印層厚為0.2 mm，噴嘴按80 mm×40 mm的矩形軌跡移動，得到堆積結(jié)果如圖1所示。

圖1 錫絲堆積試驗結(jié)果Fig.1 Result of the stacking experiment of tin wire

可見，錫絲可以很好地堆積在打印板上，但同時也會出現(xiàn)堆積不穩(wěn)定均勻的情況。分別改變速度、溫度、層厚，可以得到不同條件下錫絲堆積長度與軌跡總長度的比值(以百分比表示)，并據(jù)此做出相應(yīng)的折線圖。

3.1 不同速度打印

噴嘴的溫度設(shè)置為232 ℃，打印層厚設(shè)置為0.2 mm，打印速度分別設(shè)置為30，40，50，60，70和80 mm/s。實驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，打印速度過快或過慢均不利于錫絲的堆積，并當(dāng)打印速度超過60 mm/s時，堆積長度急劇下降，故最佳打印速度在60 mm/s左右。

圖2 不同速度打印結(jié)果Fig.2 The printing results under different speed

3.2 不同層厚打印

噴嘴溫度設(shè)置為232 ℃，打印速度設(shè)置為60 mm/s，打印層厚分別設(shè)置為0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35 和0.4 mm。實驗結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 不同層厚打印結(jié)果Fig.3 The printing results under different thickness

圖4 層厚為0.3 mm時錫絲堆積圖Fig.4 Tin wire stacking diagram with a thickhess of 0.3 mm

由圖3和圖4可知，打印層厚越大，錫絲的堆積長度越短。打印層厚超過0.3 mm時，會出現(xiàn)液滴堆積在打印板上的情況。

3.3 不同溫度打印

打印速度設(shè)置為60 mm/s，打印層厚設(shè)置為0.2 mm的情況下，打印溫度分別為232，237，242，247和252 ℃。實驗結(jié)果如圖5所示，由圖可知，打印溫度越高，錫絲堆積長度越短。

圖5 不同溫度打印結(jié)果Fig.5 The printing results under different temperature

4 圖形打印試驗

由錫絲打印實驗可知，速度、層厚和溫度影響錫絲在打印板上的堆積，具體影響堆積長度和是否出現(xiàn)液滴堆積的現(xiàn)象。打印速度為60 mm/s、打印層厚為0.2 mm、打印溫度為232 ℃是一組比較合理的參數(shù)設(shè)置，并以此設(shè)置進行矩形模型打印試驗，結(jié)果如圖6所示。

圖6 矩形模型打印結(jié)果Fig.6 Result of rectangle model printing

由圖6可知，錫絲在打印板上堆積效果較差，試驗失敗，推測原因為錫的粘結(jié)性不足。通過進一步在打印板上涂粘結(jié)劑，進行單層和雙層矩形打印試驗，結(jié)果如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知，加入膠水粘結(jié)劑后，錫絲在打印板上粘結(jié)效果較好。但當(dāng)打印第二層時，失去了膠水的粘結(jié)，由于壓力和剪切力的存在，已堆積好的第一層被破壞，最終堆積試驗失敗。

圖7 涂粘結(jié)劑單層矩形模型打印結(jié)果Fig.7 Result of single-layer rectangular printing with coating adhesive

圖8 涂粘結(jié)劑雙層矩形模型打印結(jié)果Fig.8 Result of double-layer rectangular printing with coating adhesive

5 結(jié) 論

綜上所述，從熔點和力學(xué)性能的角度考慮，錫有作為熔融沉積3D打印材料的可能性。液錫的流動性過好導(dǎo)致錫絲堆積不均勻，這可以通過改變層厚、溫度和打印速度解決；粘性較差導(dǎo)致的堆積不均勻，可以通過在打印板上加入粘結(jié)劑來提高粘結(jié)效果，這也反證了理論分析的正確性。錫絲目前在使用上最大的障礙是粘結(jié)力不足，最佳的改善途徑為在純錫中加入添加劑(或進一步探討錫合金材料)，以改善粘性。