紅外加熱管在3D 打印預(yù)熱工藝中的應(yīng)用

夏金飛

（上海開若納科技有限公司，上海200125）

1 概述

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開發(fā)了大面積增材制造(BAAM)系統(tǒng)，這是一個(gè)大規(guī)模的基于烤箱外擠壓的3D 打印機(jī)，能夠更快、更便宜地制造大型部件。目前的系統(tǒng)構(gòu)建體積為6 m×2.5 m×1.8 m，沉積速率可達(dá)50 kg/h，因此有用于汽車、航空航天和能源行業(yè)3D 打印組件的潛力。該系統(tǒng)的原料是熱塑性或纖維增強(qiáng)的熱塑性粒料，其通過單螺桿擠出機(jī)熔融和擠出并沉積在加熱的印刷床上。這提供了一個(gè)額外的優(yōu)勢(shì)，那就是顆粒的成本幾乎是長絲原料的20 倍。目前限制BAAM印刷部件功能使用的一個(gè)問題是機(jī)械各向異性。在構(gòu)建方向(z 方向)上，打印部件跨連續(xù)層的強(qiáng)度可以顯著低于相應(yīng)的平面內(nèi)強(qiáng)度(x-y 方向)。采用20%短切碳纖維增強(qiáng)的丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)在BAAM 上印刷的構(gòu)件，其z 向拉伸強(qiáng)度比相應(yīng)的平面強(qiáng)度低85%左右。甚至在小尺度的長絲擠壓過程中也有類似的機(jī)械各向異性現(xiàn)象。在FDM?過程中，界面的溫度歷史已經(jīng)被確定為決定層間粘結(jié)質(zhì)量和整體零件強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)。這是因?yàn)閷优c層之間的主要鍵合機(jī)制是熱熔合與聚合物互擴(kuò)散，這取決于半熔融聚合物的熱能以及層與層之間的接觸面積。當(dāng)沉積的長絲溫度長期高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)時(shí)，界面發(fā)生分子間擴(kuò)散，導(dǎo)致界面處的機(jī)械強(qiáng)度增大。然而，在BAAM等體系生產(chǎn)較大的零件時(shí)，層間時(shí)間會(huì)非常長，使表面溫度大大低于聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），導(dǎo)致層間鍵合較弱。

因此，這項(xiàng)研究探索了利用紅外(IR)輻射在印刷層的下一層沉積之前對(duì)其表面進(jìn)行預(yù)熱。目的是增加底層的表面溫度，使其高于材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，以改善印刷部件的層間強(qiáng)度。本工作中的測(cè)試部件是垂直印刷的單珠（或道路）中空結(jié)構(gòu)，因此僅在z 方向上具有依賴于印刷的各向異性。

2 實(shí)驗(yàn)過程

使用定制螺桿設(shè)計(jì)在BAAM系統(tǒng)上印刷薄壁測(cè)試組件，直徑為25mm，L / D 比為12：1。建立的紅外預(yù)熱實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1 所示，主要包括擠出機(jī)、紅外光燈、熱端高溫計(jì)和冷端高溫計(jì)四個(gè)關(guān)鍵部件;在打印時(shí)，所有這些都作為一個(gè)單元移動(dòng)。紅外燈盡可能靠近擠出機(jī)噴嘴，以減少沉積前的冷卻，定位高溫計(jì)監(jiān)測(cè)初始表面溫度(Tcold)和紅外加熱后的表面溫度(Thot)。高溫計(jì)溫度之間的差異估計(jì)為表面紅外加熱的程度。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖

圖2 所示為打印組件中任意層(n 層)的時(shí)間- 溫度剖面示意圖。對(duì)于較大的零件，沉積時(shí)間通常足夠長，使沉積材料從沉積溫度(Tdep)冷卻到低于材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tcold)。對(duì)于較大的零件，沉積時(shí)間通常足夠長，使沉積材料從沉積溫度(Tdep)冷卻到低于材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tcold)。沉積層的冷卻速率取決于若干變量，例如周圍幾何形狀，環(huán)境溫度，工具路徑圖案和材料熱性質(zhì)。當(dāng)紅外燈通過之前沉積的層時(shí)，在沉積下一層(n + 1層)之前，預(yù)計(jì)表面溫度(Thot)將略高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。同樣地，紅外燈的加熱效率將取決于距離、視角、功率密度和行進(jìn)速度等變量。

圖2 時(shí)間- 溫度剖面示意圖

在本研究中，印刷所用的材料為從Techmer ES 采購的丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)球團(tuán)，填充20%切碎的碳纖維(Electrafil J-1200)。將進(jìn)料在～80℃下干燥4 小時(shí)并在～65℃下儲(chǔ)存。 然后將該材料在215℃（Tdep）下沉積在～95℃的加熱床上。 在印刷時(shí)，在擠出機(jī)噴嘴的緊鄰處使用z 型搗固附件，以獲得平整的表面并增加層間的接觸面積。校準(zhǔn)紅外高溫計(jì)(型號(hào):來自O(shè)mega的OS552A-MA-6)，并將其安裝沉積頭上，距離約為15 cm。

圖3(a)條件1 的紅外燈位置;(b)條件2 和(c)條件3

3 表面溫度

圖4(陰影部分)顯示了在紅外預(yù)熱(Tcold)之前的典型沉積珠的溫度，以及每種沉積條件下紅外加熱所產(chǎn)生的透熱的測(cè)量值(未陰影部分)和理論值(三角形)。這里所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要么是直接安裝在沉積頭上的高溫計(jì)估算出來的(圖1)，要么是直接用手持高溫計(jì)測(cè)量出來的，因?yàn)榘惭b在高溫計(jì)上的記錄數(shù)據(jù)有很大的變異性。

圖4 表面溫度

比較條件1 下各種打印速度下的未加熱的基析溫度（Tcold），隨著打印速度的增加，觀察到輕微的增加。 這是因?yàn)殡S著打印速度的增加，打印每層所花費(fèi)的時(shí)間減少，從而減少了在下一層沉積之前的冷卻程度。 另一方面，在三種不同的實(shí)驗(yàn)條件下比較相同速度（3.8cm / s）的未加熱的基析溫度（Tcold）也顯示出增加。 這是因?yàn)橥ㄟ^減小支座距離或增加燈的強(qiáng)度，在每種情況下將更多的輻射能量傳遞到材料。另外，由于較大的噴嘴，條件3 的珠粒寬度較高，這降低了表面與體積比，因此降低了沉積珠粒的冷卻速率。

表面溫度的升高也取決于打印速度，因?yàn)樗鼪Q定了在給定區(qū)域內(nèi)紅外輻射的曝光時(shí)間。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，每一種情況下，紅外加熱都會(huì)使表面溫度升高。在條件1 下，三種打印速度的升溫幅度都在10-25℃之間。由于減少了對(duì)峙距離和增加了強(qiáng)度，預(yù)計(jì)在2 和3 條件下加熱量將大幅度增加。雖然條件3 的平均升溫幅度約為90℃，但條件2 的實(shí)測(cè)升溫幅度小于預(yù)期。這可能是由于安裝在擠出頭的光學(xué)高溫計(jì)的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，由于空間限制，很難與沉積的熔珠對(duì)齊。

4 結(jié)論

本研究演示了紅外預(yù)熱技術(shù)，作為提高印刷件層間強(qiáng)度的一種方法，在大面積增材制造系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和應(yīng)用。該裝置由擠出機(jī)系統(tǒng)、高溫計(jì)和紅外線燈組成，在下一層材料沉積之前加熱打印層的表面。高溫計(jì)在紅外加熱之前和之后監(jiān)測(cè)一層的表面溫度。大六角是由碳纖維增強(qiáng)ABS 打印，用于三種不同的打印速度和加熱配置。紅外燈是用來提高層間鍵合溫度和提高印刷部件的層間強(qiáng)度的有效方法，在一定條件下，可以超過兩倍的平均斷裂能量。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基底材料冷卻到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，并且在沉積下一層之前，利用紅外預(yù)熱將襯底適度加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）以上時(shí)，對(duì)層間鍵合溫度的主動(dòng)控制是最有效的。在這一領(lǐng)域的未來研究是需要細(xì)化紅外燈的結(jié)構(gòu)和改善主動(dòng)控制基底溫度。