增材制造聚乳酸脂與碳纖維核心溫度對(duì)比研究?

鮑成志， 洪成雨， 武亞軍， 張一帆，付艷斌， 李 操

（1.上海大學(xué)土木工程系 上海，200444）（2.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 深圳，518061）

（3.香港理工大學(xué)3D打印研究中心 香港，999077）（4.深圳大學(xué)未來地下城市研究院 深圳，518060）

引言

近年來，隨著3D打印技術(shù)的興起，全球開始掀起3D打印熱潮，在航空航天、汽車、醫(yī)療健康等領(lǐng)域的市場(chǎng)應(yīng)用已經(jīng)取得積極的進(jìn)展。增材制造俗稱3D打印，即融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工與成形技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，使過去受到約束的復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造具有實(shí)現(xiàn)的可能［1-5］。

近年來針對(duì)3D打印的各種研究越來越多，Hong等［6-8］結(jié)合3D打印技術(shù)與FBG傳感器，成功研發(fā)了各種新穎的巖土傳感器。鄭捷［9］研究了水泥基3D打印材料應(yīng)具有的特性，分析了3D打印材料的組成及合成短纖維在打印材料中的特殊作用。Yao等［10］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔融沉積成型3D打印材料在拉伸載荷作用下失效時(shí)，存在兩種不同的失效模式和一個(gè)特殊的分離角，是兩種不同失效模式的分界點(diǎn)。汪傳生等［11］基于粉體喂料3D打印機(jī)，研究3D打印玻璃纖維/熱塑性聚氨酯共混材料的性能。周海龍等［12］基于Cr-Ni-Mo合金體系，研制出了屈服強(qiáng)度在590 MPa以上可用于3D打印的電弧堆熔絲材。

目前研究大多偏向于3D打印的應(yīng)用、打印材料的組成、不同打印材料運(yùn)用等方面，然而對(duì)于整個(gè)3D打印過程中所打印材料內(nèi)部的溫度以及打印過程的材料特征分析等基礎(chǔ)研究十分缺乏。因此，3D打印過程的溫度特征研究，對(duì)于打印耗材的制造、選擇、打印工藝的調(diào)整、改進(jìn)、打印模型主體結(jié)構(gòu)的設(shè)置、以及力學(xué)特征分析等起著至關(guān)重要的作用。FBG傳感器具有小尺寸、高精度、抗電磁干擾、定制快捷方便、耐環(huán)境腐蝕及多路復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)［13-15］。

本研究利用FBG傳感器優(yōu)良的傳感性質(zhì)，并獨(dú)特地設(shè)計(jì)一種孔結(jié)構(gòu)，將FBG植入該孔結(jié)構(gòu)中，該孔結(jié)構(gòu)可保證其在整個(gè)測(cè)試模型的打印制作過程中不受到任何外力的影響，可單獨(dú)測(cè)量本測(cè)試模型制作過程中任一時(shí)刻該FBG位置處的溫度變化。在模型的制作過程中，利用FBG的測(cè)量特性，有效測(cè)量出AM過程中不同階段溫度特征變化、AM模型核心不同材料的溫度變化。

1 光纖光柵的傳感原理

光纖布拉格光柵FBG于1978年問世［16］，這種簡(jiǎn)單的固有傳感元件可利用硅光纖的紫外光敏性寫入光纖的纖芯內(nèi)部。圖1（a）為光纖光柵的基本原理示意圖，光纖內(nèi)部到外部由三部分組成：纖芯、包層和涂覆層；圖1（b）為FBG實(shí)物圖，其中中間的藍(lán)點(diǎn)區(qū)間是光柵區(qū)域，即FBG傳感器。

圖1 FBG示意圖及其實(shí)物圖Fig.1 FBG schematic diagram and its physical diagram

光纖光柵傳感機(jī)理是基于波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)，當(dāng)入射光源光波經(jīng)過光柵區(qū)時(shí)，大部分的光波會(huì)穿透通過光柵區(qū)，而特定波長(zhǎng)的光波則會(huì)被反射回光源位置，這種特定光波的波長(zhǎng)中心峰值即為布拉格光纖光柵的中心波長(zhǎng)，用λB表示。光柵反射的波長(zhǎng)表達(dá)式為

其中：λB為光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)；neff為纖芯有效折射率；Λ為光柵的周期。

由式（1）知，任何能夠改變光柵有效折射率或光柵周期的物理量都能改變光柵中心波長(zhǎng)。應(yīng)變和溫度是最能直接顯著改變光纖光柵波長(zhǎng)的物理量。其引起的光纖光柵波長(zhǎng)的漂移可表示為

其中：?ε為光纖布拉格光柵軸向應(yīng)變變化量；?T為溫度變化量；pe為有效彈光系數(shù)；ζ，α分別為光纖布拉格光柵的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。

當(dāng)光纖光柵受到外界應(yīng)變或者應(yīng)力的作用時(shí)，光柵的周期會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)光彈效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光柵有效折射率變化。當(dāng)光纖光柵受到外界溫度影響時(shí)，熱膨脹會(huì)引起光柵周期發(fā)生變化，同時(shí)熱敏效應(yīng)會(huì)引起光柵的有效折射率變化。目前已有的基于光纖光柵的各種傳感器基本上都是直接或間接地利用應(yīng)變或溫度改變光柵中心波長(zhǎng)，以達(dá)到測(cè)量被測(cè)物理量的目的。

式（2）還可簡(jiǎn)單表示為

其中：cε與ct分別為光纖光柵的應(yīng)變系數(shù)和溫度系數(shù)，通過標(biāo)定試驗(yàn)得到本試驗(yàn)中光纖光柵的cε與ct分別為0.78×10-6με-1與6.4×10-6℃-1。

2 AM的5個(gè)臨界過程階段分析

結(jié)合3D打印制作本次模型核心溫度研究的AM模型（圖2（a）），本次打印采用線性45°角填充，也即模型內(nèi)部呈現(xiàn)網(wǎng)狀填充，并與邊界呈現(xiàn)45°夾角（圖2（b）），打印耗材分別采用碳纖維與聚乳酸脂，模型尺寸為35 mm×35 mm×10 mm（長(zhǎng)×寬×高）立方體，并且分別采用20%，40%，60%，80%，100%這5種不同密度試樣（圖2（c）），進(jìn)行材料性質(zhì)驗(yàn)證。這里的密度指的是3D打印下模型內(nèi)部的填充密度。

圖2 3D打印模型制備Fig.2 Fabrication of 3D printing model

將FBG傳感器在AM過程中植入到打印模型中，用以實(shí)現(xiàn)打印過程中模型內(nèi)部溫度的監(jiān)測(cè)，并得到特征曲線，其植入方式如圖2（b）與圖3所示。圖3為AM完成后的模型，其中橙色套管為模型外部光纖保護(hù)管，F(xiàn)BG傳感器則通過圖3所示的溫度監(jiān)測(cè)孔進(jìn)入模型內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)模型內(nèi)部核心溫度在AM過程中實(shí)時(shí)變化的目的。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，模型核心溫度變化曲線都可以劃分為具有5個(gè)不同階段變化特征的曲線。因此建立特征曲線模型并進(jìn)一步地進(jìn)行AM過程特征分析。

通過特征曲線，可將AM過程分為5個(gè)特征階段，如圖4所示。

圖3 模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 3D printing model used in the test

圖4 增材制造過程FBG波長(zhǎng)曲線圖Fig.4 Wavelength change of FBG during AM process

第1階段：初始波長(zhǎng)階段。此時(shí)FBG尚未植入打印模型中，放置在室溫環(huán)境下，因此此時(shí)的FBG傳感器波長(zhǎng)單受環(huán)境溫度影響。由于制作場(chǎng)所始終保持恒溫狀態(tài)，所以此階段的波長(zhǎng)處于穩(wěn)定階段。

第2階段：FBG植入階段。在50%的位置處溫度監(jiān)測(cè)孔洞打印完畢后，暫停打印，并植入FBG，以達(dá)到監(jiān)測(cè)模型內(nèi)部溫度的目的。此時(shí)由于打印剛暫停，所以該孔洞內(nèi)部仍帶有一定的打印溫度，所以FBG從室內(nèi)環(huán)境溫度突然轉(zhuǎn)移到帶有余溫的孔內(nèi)時(shí)，會(huì)有波長(zhǎng)驟升現(xiàn)象。本模型中，驟升量會(huì)根據(jù)模型密度的不同在30～150 pm之間變化。隨即由于打印機(jī)由暫停轉(zhuǎn)入工作階段的3～5 min啟動(dòng)等待時(shí)間，所以此時(shí)由于模型內(nèi)部與環(huán)境溫度間溫差，模型內(nèi)部溫度會(huì)緩慢下降，因此FBG體現(xiàn)出緩慢下降段。本模型下中該下降量根據(jù)模型密度的不同，在10～60 pm之間變化。

第3階段：3D填充封裝階段。此階段的特點(diǎn)是隨著3D打印的逐層封裝，內(nèi)部FBG處出現(xiàn)溫度的上升與下降，所以形成了此階段FBG傳感器波長(zhǎng)反復(fù)循環(huán)的變化趨勢(shì)。其每一個(gè)循環(huán)代表一層耗材的堆疊。本模型中，此階段持續(xù)時(shí)間隨著封裝密度的不同會(huì)在10～15 min之間變化。

第4階段：3D打印封頂階段。此階段所有模型打印都由內(nèi)部線性網(wǎng)格打印轉(zhuǎn)為100%密實(shí)打印，以達(dá)到表面密實(shí)封裝效果，因此本階段會(huì)在第3階段各循環(huán)峰值總體下降的趨勢(shì)下，根據(jù)打印密度的不同，出現(xiàn)不同程度的峰值回升現(xiàn)象。且因?yàn)楸驹囼?yàn)在3D打印模型的切片設(shè)計(jì)中，封頂層數(shù)設(shè)置為3層，所以對(duì)應(yīng)地，該階段出現(xiàn)3段循環(huán)。

第5階段：溫度回歸階段。此階段的開始即是填充封裝階段的結(jié)束。封裝結(jié)束后由于模型仍帶有一定的打印殘留溫度，所以此階段的特點(diǎn)為：模型溫度會(huì)迅速下降至初始第1階段的環(huán)境溫度狀態(tài)，因此引起FBG波長(zhǎng)以2次曲線趨勢(shì)迅速下降，最終因?yàn)闇囟认陆抵镰h(huán)境溫度而緩緩趨向平穩(wěn)。

3 AM過程模型內(nèi)部溫度測(cè)量與分析

本試驗(yàn)全程在恒溫的試驗(yàn)室中進(jìn)行。本試驗(yàn)獨(dú)特地設(shè)計(jì)一種孔結(jié)構(gòu)（直徑為0.7 mm），并且利用了FBG光學(xué)傳感器（0.2 mm），在本模型的打印中，將FBG植入該孔結(jié)構(gòu)中，該孔結(jié)構(gòu)可保證其在整個(gè)模型的打印制作過程中不受到任何打印外力的影響，所以該植入FBG可以單獨(dú)測(cè)量本模型制作過程中任一時(shí)刻該FBG位置處溫度變化，也即模型中部位置處溫度變化。

圖5 為碳纖維耗材在5個(gè)不同填充密度下，打印時(shí)模型內(nèi)部FBG溫度變化量曲線。從第1階段轉(zhuǎn)到第2階段即FBG植入階段時(shí)，此過渡過程FBG處溫度變化特征為：在本模型所有密度試樣下，F(xiàn)BG處由環(huán)境溫度迅速驟升到當(dāng)前模型內(nèi)部溫度，對(duì)應(yīng)地在圖5中出現(xiàn)第2階段波長(zhǎng)驟升現(xiàn)象。隨著打印密度的增加，圖5所示溫度驟升量也相應(yīng)地在不斷升高。具體分析其驟升量，如圖6（a）所示，其中溫度驟升量隨著密度的變化而呈現(xiàn)出正相關(guān)線性變化趨勢(shì)。

圖5 20%,40%,60%,80%,100%填充密度下的模型內(nèi)部溫度變化量Fig.5 Curves of temperature variation inside the printing model at 20%,40%,60%,80% and 100% infill densities

該驟升段過后，對(duì)應(yīng)地所有密度試樣下模型都在處于打印機(jī)啟動(dòng)時(shí)間的等待中，由圖5可知該階段所有密度下的試樣溫度都在逐漸下降，且密度越大，溫度下降越多。該階段溫度具體下降量與密度的關(guān)系如圖6（b）所示。因?yàn)樵谀Ｐ团c環(huán)境溫度之間的溫差下，模型在不斷地散熱，其密度越大，散熱量也隨之增大，因此溫度下降也越多。

圖6 不同填充密度第2階段溫度變化特點(diǎn)Fig.6 Characteristics of temperature change in the second stage with different infill densities

由第2階段FBG植入階段，轉(zhuǎn)到第3階段填充封裝階段，由于打印機(jī)開始繼續(xù)工作，對(duì)應(yīng)地高溫耗材開始繼續(xù)疊加，因此會(huì)出現(xiàn)溫度驟升現(xiàn)象。由圖5所示，對(duì)應(yīng)地有密度越大，溫度驟升量也越大。此階段溫度曲線出現(xiàn)循環(huán)現(xiàn)象，此現(xiàn)象是由于填充階段碳纖維耗材逐層循環(huán)疊加所引起。圖5所示其循環(huán)特征為先是波長(zhǎng)上升，然后波長(zhǎng)下降，循環(huán)往復(fù)進(jìn)行。通過填充階段視頻逐幀分析，發(fā)現(xiàn)關(guān)于此階段循環(huán)現(xiàn)象的波峰，是由于打印機(jī)高溫噴嘴運(yùn)動(dòng)到模型中間所致，即如圖2（b）中a位置所示，也即為FBG光纖光柵正上方，此位置是一個(gè)循環(huán)中FBG接收熱量最大處。波谷則是由于高溫打印噴嘴移動(dòng)到傳感器邊緣所致，即如圖2（b）中b位置所示，此位置是一個(gè)循環(huán)中FBG接收熱量最小處。對(duì)應(yīng)地，此溫度循環(huán)剛好是噴嘴運(yùn)動(dòng)的一個(gè)循環(huán)，也即是一層耗材的疊加過程。由圖5曲線所示，隨著耗材逐層疊加，任何一種密度試樣下，封裝階段總體溫度上升趨勢(shì)都在逐漸減弱（即循環(huán)平均溫度變化量），其原因是由于隨著耗材逐層疊加，剛打印出來的高溫耗材與FBG之間，間隔耗材也隨之增多，因此會(huì)同時(shí)逐漸引起頂層剛打印處高溫耗材將熱量傳遞到內(nèi)部FBG處的過程中散失越來越多的熱量。對(duì)應(yīng)的填充階段每個(gè)循環(huán)的波峰值會(huì)隨著逐層打印，隨之逐漸減小，其波谷值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，因此循環(huán)平均溫度變化量在逐漸變小。此階段最大溫度變化量隨著密度的變化如圖7所示，其中最大溫度變化量隨著密度的變化呈現(xiàn)出正相關(guān)線性變化趨勢(shì)。其相關(guān)性原因?yàn)椋芏仍酱?，同一時(shí)間段內(nèi)填充密度大的模型就會(huì)有更多的填充材料，因此就會(huì)傳遞更多的熱量到FBG處，所以出現(xiàn)密度越大，該階段FBG處所測(cè)溫度變化量就越高。

圖7 不同填充密度下第3階段最大溫度變化量Fig.7 Maximum temperature change in the third stage at different infill densities

當(dāng)打印進(jìn)入尾聲，此時(shí)打印進(jìn)入第4階段封頂階段，即圖5中所有曲線后3個(gè)尾峰部分。由圖5可知，從第3階段過度至此階段時(shí)，F(xiàn)BG在20%，40%，60%密度組中循環(huán)波峰值分別都由下降趨勢(shì)轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)。本階段3個(gè)峰值變化與密度的關(guān)系如圖8所示，其中發(fā)現(xiàn)本階段隨著填充密度的增加，波峰上升趨勢(shì)斜率在隨之減小，分析其原因?yàn)椋芏仍酱竽Ｐ晚攲臃忭旊A段高溫耗材的熱量就越難傳遞到其下方的FBG處，也即模型中間位置。當(dāng)密度到達(dá)80%后，第3與第4階段的波峰峰值上升現(xiàn)象消失，并且開始轉(zhuǎn)為下降趨勢(shì)（圖5）。說明60%密度下是該模型內(nèi)部溫度傳遞的臨界點(diǎn)，超過該臨界點(diǎn)后，熱量在耗材中的傳遞量開始小于熱量在耗材中的散失量。對(duì)應(yīng)的，圖8所示為第4階段不同填充密度下的3個(gè)封頂波峰值，可以發(fā)現(xiàn)從80%密度組到100%密度組，其內(nèi)部FBG處所測(cè)溫度變化量的斜率值開始變?yōu)樨?fù)值。5條曲線的擬合關(guān)系按照填充密度20%，40%，60%，80%，100%，依 次 分 別 為y=0.975x+8.496 7，y=0.81x+9.816 7，y=0.14x+12.903，y=-0.235x+15.103，y=-0.61x+16.333。因?yàn)槟Ｐ偷奶畛涿芏仍酱?，?duì)熱量傳遞的阻礙作用也就越大，所以該階段的最大溫度變化量的下降趨勢(shì)斜率在增大。

圖8 不同填充密度下第4階段3個(gè)尾峰最大峰值Fig.8 Value of peak temperature change at the fourth stage at different infill densities.

第5階段打印結(jié)束，模型冷卻至初始室溫狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的圖5中，所有的曲線都在3 000 s左右回歸到y(tǒng)=0處。這充分說明了本FBG在全程測(cè)量的過程中沒有受到除溫度變量外的其他變量影響（如填充材料的拉伸應(yīng)變、收縮應(yīng)變，以及殘余應(yīng)變），因此本曲線當(dāng)溫度回到初始狀態(tài)后也即環(huán)境溫度狀態(tài)，曲線也隨即相應(yīng)地回歸到y(tǒng)=0處附近。

對(duì)打印時(shí)間的分析如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)密度依次為20%，40%，60%，80%，100%時(shí)，時(shí)間比依次分別為0.60，0.66，0.71，0.75，0.78。隨著填充密度的增加，填充階段與封頂階段的耗時(shí)比也在不斷增加，此特征可以用來判斷模型的填充密度。

f=T1/T2

其中：T1為封頂階段耗時(shí)；T2為填充階段耗時(shí)；f為時(shí)間比。

圖9 不同填充密度下第4階段與第3階段耗時(shí)比Fig.9 Comparison of elapsed time between the fourth stage and the third stage at different infill densities

4 碳纖維與聚乳酸脂耗材的AM過程對(duì)比分析

本研究除了做了5組碳纖維耗材下的試樣，同時(shí)還分別做了關(guān)于聚乳酸脂打印耗材20%，40%，60%，80%，100%密度下的5組試樣，用以做材料對(duì)比分析。

圖10 為兩種材料下，分別在20%，40%，60%，80%，100%填充密度下的3D打印過程中溫度變化曲線。

圖10 聚乳酸脂與碳纖維AM過程溫度變化量對(duì)比曲線Fig.10 Comparison curve of temperature variation between PLA and carbon fiber during AM process

圖10 表明，兩種耗材在AM過程中，各個(gè)階段的溫度變化趨勢(shì)是一致的。唯一的不同點(diǎn)是，由于使用材料不同，同一時(shí)刻模型內(nèi)部溫度變化量不同。

從圖10中的5個(gè)階段來分析，發(fā)現(xiàn)在同一時(shí)刻，幾乎每一個(gè)階段下碳纖維的溫度變化量都要高于聚乳酸脂耗材，推測(cè)其原因?yàn)橥粺崃肯?，碳纖維的導(dǎo)熱性要高于聚乳酸脂材料，因此同一密度同一時(shí)間下，對(duì)于碳纖維耗材的試樣，會(huì)有更多的熱量傳遞到模型內(nèi)部FBG處。

因?yàn)樘祭w維耗材下的模型內(nèi)部溫度變化量高于聚乳酸脂，因此詳細(xì)分析碳纖維與聚乳酸脂兩種填充材料下第3階段最大溫度變化量之間的差值，圖11為5種填充密度下第3階段聚乳酸脂與碳纖維兩種耗材之間溫度最大上升量差值，圖中發(fā)現(xiàn)在60%填充密度之前，碳纖維耗材與聚乳酸脂之間的溫度差值隨著模型填充密度的增加也隨之逐漸增大，而當(dāng)填充密度大于60%之后，此溫度變化量開始隨著填充密度的增加隨之逐漸減小，這一結(jié)果與圖8相關(guān)的分析與結(jié)論吻合較好，再次證明了60%填充密度是本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部溫度傳遞的臨界點(diǎn)，超過該臨界點(diǎn)后，熱量在耗材中的傳遞量開始小于熱量在耗材中的散失量。

圖11 不同密度下第3階段兩種耗材之間溫度最大上升量差值Fig.11 Difference of maximal temperature variation in the third stage during AM between PLA and carbon fiber

因此，此分析對(duì)于3D打印耗材的選用方面給出了相應(yīng)的建議：對(duì)于需要內(nèi)部快速降溫的3D打印模型來說，可以采用碳纖維來制作。

5 結(jié)論

1）對(duì)于AM過程中兩種材料不同密度下的溫度曲線分析，得出特征分明的5階段特征曲線，5階段分別是初始波長(zhǎng)階段、FBG植入階段、填充封裝階段、打印封頂階段及溫度回歸階段，并對(duì)其每一個(gè)階段的特征做了詳細(xì)的分析。

2）FBG傳感器植入瞬間所有不同填充密度試樣下FBG都監(jiān)測(cè)到溫度驟升現(xiàn)象，且隨著密度的增加，驟升量也在線性增加。驟升量過后，因?yàn)榇蛴〉却龝r(shí)間，會(huì)出現(xiàn)溫度緩慢下滑現(xiàn)象，且下滑量與模型填充密度正相關(guān)。

3）填充封裝階段，不同打印耗材與打印密度下，模型內(nèi)部溫度都在由于耗材反復(fù)的逐層疊加呈現(xiàn)循環(huán)變化現(xiàn)象。此階段由于耗材逐層疊加，因此形成了熱量阻隔，所以埋置在耗材下方的FBG所感受到的溫度變化量逐漸減弱。同樣，隨著密度的增加也會(huì)出現(xiàn)同樣溫度阻隔效應(yīng)，呈現(xiàn)出同樣的溫度變化量減弱趨勢(shì)。

4）在打印封頂階段發(fā)現(xiàn)，本模型中60%填充密度是熱量傳遞的臨界點(diǎn)。超過該臨界點(diǎn)后，熱量在耗材中的傳遞量開始小于熱量在耗材中的散失量。

5）使用了聚乳酸脂與碳纖維兩種不同的材料分別做了兩組對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)碳纖維AM模型的最大核心溫度均高于聚乳酸脂模型，且在60%填充密度下達(dá)到了最大差值，此時(shí)碳纖維模型核心溫度較聚乳酸脂高5℃。