聚乳酸/有機(jī)蒙脫土改性復(fù)合材料3D打印工藝的研究*

胡程誠(chéng)，王成諾，耿廣旭，華 麗，孫岳玲，李 瑞

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

目前，聚乳酸材料已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于熔融沉積成型3D打印領(lǐng)域，聚乳酸絲材有自身的缺點(diǎn)：強(qiáng)度和韌性比較差、打印中易斷絲、制品較脆等。因此如何改善聚乳酸材料的性能成為了人們研究的熱點(diǎn)[1-2]。本課題組早就對(duì)聚乳酸的改性做出了理論和實(shí)踐的研究[3]。研究發(fā)現(xiàn)蒙脫土可以作為一種增韌劑，與聚乳酸進(jìn)行物理共混，很大程度上就改變了聚乳酸的韌性，機(jī)械強(qiáng)度的增加也使得聚乳酸和蒙脫土制出的納米復(fù)合材料在3D打印材料選擇和運(yùn)用具有更大的競(jìng)爭(zhēng)力。本文研究改性的PLA/O-MMT復(fù)合材料在3D打印的影響。

1 3D打印原理

實(shí)驗(yàn)室的3D打印機(jī)采用熔融沉積建造模型這種3D打印技術(shù)利用電源加熱的方法將絲帶狀高分子材料加熱，達(dá)到材料的熔點(diǎn)，打印噴頭在電腦的程序控制下，沿軸向做平面運(yùn)動(dòng)。圖1是實(shí)驗(yàn)室使用的兩種型號(hào)的打印機(jī)。工作臺(tái)對(duì)熔融狀態(tài)下的改性材料打印繪制，通過覆蓋在托盤上形成一層截面，然后精確的層層疊加，涂覆，一直到打印出和電腦上設(shè)計(jì)的實(shí)物一致的模型[4-5]。

圖1 3D打印機(jī)Fig.1 3D printer

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

3D打印材料如表1所示。

表1 3D打印材料Table 1 3D printing material

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

桌面級(jí)3D打印機(jī)，杭州先臨三維科技股份有限公司；切片軟件，Print Rite CoLi DoRepetier-Host；TY-8000型電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，江蘇天源實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；TY-4020型簡(jiǎn)支梁沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，江蘇天源實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

2.3 樣品制備

按照GB/T 1040.2-2006、ASTM-D256標(biāo)準(zhǔn)，制作尺寸如圖2所示的拉伸、沖擊用的試樣三維模型，并導(dǎo)出STL文件，按系統(tǒng)默認(rèn)值設(shè)置時(shí)弦長(zhǎng)、角度大小以及步長(zhǎng)大小，接著按照表2參數(shù)信息用切片軟件切片打印，沿著樣品長(zhǎng)度方向打印，45°角直線填充。

圖2 樣品尺寸Fig.2 Sample size

表2 樣品打印參數(shù)Table 2 Sample printing parameter

2.4 機(jī)械性能測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試了3D打印材料的拉伸性能，按照 GB/T1040.2-2006進(jìn)行測(cè)試，確定拉伸速率為5 mm/min；沖擊性能按 ASTM-D256 測(cè)試，確定擺錘能量為5.5 J。研究了打印速度、打印溫度、填充密度、打印參數(shù)對(duì)3D打印產(chǎn)品機(jī)械性能的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 打印速度對(duì)樣品的影響

打印速度對(duì)聚乳酸/蒙脫土打印制品的影響如圖3所示，拉伸應(yīng)力與應(yīng)變曲線的關(guān)系圖。它的機(jī)械性能表現(xiàn)如圖4所示。從圖4可以看出，隨著打印速度的增大，樣品的強(qiáng)度就越差，變得越來越脆，打印速度為 60 mm/s 的拉伸強(qiáng)度比打印速度為20 mm/s降低了62%、打印速度為20 mm/s的沖擊強(qiáng)度比打印速度為20 mm/s降低了18%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是在打印噴頭的快速移動(dòng)中，產(chǎn)生振動(dòng)和慣性，這些都造成打印產(chǎn)品精度的下降，從而產(chǎn)品強(qiáng)度降低。

圖3 不同打印速度時(shí)拉伸應(yīng)力與應(yīng)變曲線的關(guān)系圖Fig.3 The relationship between tensile stress and strain curve at different printing speed

圖4 打印速度對(duì)機(jī)械性能的影響Fig.4 The effect of printing speed on mechanical propertie

3.2 打印溫度對(duì)樣品的影響

打印溫度不同，產(chǎn)品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，打印溫度對(duì)機(jī)械性能的影響如圖6所示。

由圖6中可以得出，拉伸強(qiáng)度隨溫度的升高快速增強(qiáng)，而沖擊強(qiáng)度則快速下降，打印溫度為225 ℃ 的拉伸強(qiáng)度比打印溫度為195 ℃的拉伸強(qiáng)度，增加13%；打印溫度為225 ℃的沖擊強(qiáng)度比打印溫度為195 ℃時(shí)的沖擊強(qiáng)度減少了100%。這是因?yàn)樵诖蛴∵^程中聚乳酸/蒙脫土的材料分子會(huì)隨著打印噴頭運(yùn)動(dòng)，相互平行，隨著打印溫度的升高，一些排列好的塑料未被冷卻，就會(huì)留在樣品中，沿著打印方向會(huì)出現(xiàn)分子取向。樣品拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，分子取向與受力方向相同；樣品沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)沖擊力與分子取向方向垂直。因此溫度越高，拉伸強(qiáng)度越大，沖擊強(qiáng)度越小。

圖5 不同打印溫度時(shí)拉伸應(yīng)力與應(yīng)變曲線的關(guān)系圖Fig.5 The relationship between tensile stress and strain at different printing temperature

圖6 打印溫度對(duì)機(jī)械性能的影響Fig.6 The effect of printing temperature on mechanical propertie

3.3 填充密度對(duì)樣品的影響

填充密度不同得到了產(chǎn)品應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示，填充密度對(duì)機(jī)械性能的影響見圖8。

設(shè)置每層填充的角度其值范圍從0±180°。由圖8可知，隨著填充密度的增加，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都提高了，填充密度為50%的拉伸強(qiáng)度比填充密度25%的增加了32%；填充密度為50%的沖擊強(qiáng)度比填充密度25%增加了300%，探究原因是填充密度越大，打印耗材越多，強(qiáng)度就越高。

圖7 不同填充密度時(shí)拉伸應(yīng)力與應(yīng)變曲線的關(guān)系圖Fig.7 Relation between tensile stress and strain curves at different filling densitie

圖8 填充密度對(duì)機(jī)械性能的影響Fig.8 Effect of filling density on mechanical propertie

3.4 打印參數(shù)對(duì)樣品的影響

切片后，設(shè)置打印信息參數(shù)如表3所示。從表3中可以看出，打印時(shí)間越短，也就是打印的速度越快，打印耗材越??；此外，層的厚度會(huì)影響到3D打印的效果，層設(shè)置的越薄，打印時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，但產(chǎn)品精度增高，反之，層設(shè)置的較厚，打印的速度雖然快了，但是打印的精度卻降低了。

表3 打印參數(shù)的設(shè)置Table 3 Settings of printing parameter

3.5 打印實(shí)物展示

選用PLA/MMT復(fù)合材料經(jīng)拉絲以后用于3D打印，選用設(shè)定的程序和打印參數(shù)，打印出兩種成品，如圖9所示。由于聚乳酸/有機(jī)蒙脫土復(fù)合材料的缺點(diǎn)[5]，不適合打印形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、懸空結(jié)構(gòu)多的精度和表面質(zhì)量要求的產(chǎn)品和配件，目前在實(shí)驗(yàn)室選用的實(shí)心的簡(jiǎn)單玩具。

圖9 3D打印成品展示圖Fig.9 3D print the finished product displa

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

(1)設(shè)置打印信息參數(shù)，打印時(shí)間越短，打印耗材越??；層的厚度會(huì)影響到3D打印的效果，層設(shè)置的越薄，打印時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，但產(chǎn)品精度增高。

(2)打印速度增大，樣品的強(qiáng)度就越差，變得越來越脆，

(3)打印溫度越高，樣品的拉伸強(qiáng)度越大，沖擊強(qiáng)度越小。

(4)填充密度越大，樣品的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度就越大。

4.2 展 望

聚乳酸/蒙脫土納米復(fù)合材料擁有很好的生物相容性和降解性，被認(rèn)為是非常好的生物高分子材料，這種材料 3D 打印的產(chǎn)品外表光滑，廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。但由于3D 打印聚乳酸/蒙脫土納米復(fù)合材料成本比較高，材料的性能不夠完善，很難以滿足生產(chǎn)要求的品質(zhì)。未來，低成本、高性能、實(shí)用性好的3D 打印復(fù)合材料仍將是人們研究的熱點(diǎn)[6]。聚乳酸/蒙脫土納米復(fù)合材料3D打印材料的性能會(huì)得到進(jìn)一步的改進(jìn)。