聚己內酯3D打印成型工藝研究及

向聲燚，焦志偉，苗劍飛，劉曉軍，楊衛(wèi)民

(北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

0 前言

骨支架作為骨組織工程的關鍵之一，主要作用為引導骨組織生長并維持到新骨生成。理想的骨支架要有良好的生物相容性，免疫原性低，且需要與人體骨組織強度和密度接近[1]。PCL因其降解速度較慢，而且具有較好的可塑性和生物相容性，已被廣泛應用于骨組織工程[2-3]。傳統(tǒng)的支架制備方法有自動化程度低,且制備出的支架孔隙率、孔隙連通率、形狀等不易于精確控，無法滿足個性化需求等缺點。隨著制造業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)基于計算機輔助下制作的快速成型技術，有效解決了傳統(tǒng)支架制作方法上的缺點[4]。聚己內酯的3D打印方式有：三維打印(3DP)[5]，熔融沉積成型(FDM)[6],選擇性激光燒結(SLS)等快速成型技術。本文通過采用自主研發(fā)的熔體微分3D打印機[7]制備PCL制品，打印材料為PCL顆粒。影響PCL成型的主要工藝參數(shù)有螺桿轉速[8]，打印速度，層高，打印溫度等，通過改變這些參數(shù)可以得到不同精度的制品。本文研究了不同工藝參數(shù)對PCL翹曲變形[9]的影響，并表征了3D打印PCL的力學性能[10]，對聚己內酯3D打印的前景進行了探討。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PCL顆粒，PCL6800，相對分子質量為40 000，熔體流動速率為3 g/10 min(160 ℃)，熔點為 60 ℃，密度為1.146 g/mL(25 ℃)。

1.2 主要設備及儀器

熔體微分3D打印機，北京化工大學英藍實驗室自主研發(fā)，如圖1所示，熔體微分3D打印機的原料為粒料，相對于桌面3D打印機省去了拉絲的步驟，節(jié)約了成本，拓展了3D打印材料的范圍；

(a)外觀圖 (b)內部結構圖圖1 熔體微分3D打印機Fig.1 Melt differential 3D printer

微機控制電子萬能試驗機，WDT-W-20A,承德精密試驗機有限公司；

臥式曲肘注塑機，HTF120X2，寧波海天塑機集團有限公司。

1.3 樣品制備

通過打印PCL模型，研究成型溫度對PCL翹曲變形的影響，打印制品模型的尺寸為：80 mm×10 mm×4 mm；打印噴嘴內徑為0.4 mm,室溫為21 ℃，打印平臺不加熱，平臺移動速度設置為35 mm/s,成型路徑為長邊路徑，打印層高設置為0.25 mm,螺桿轉速為0.5 r/min,成型溫度分別為60、70、80、90、100、110、120 ℃，打印PCL模型；設置成型溫度為90 ℃，打印速度設置為35 mm/s，室溫為21 ℃，打印平臺不加熱，成型路徑為長邊路徑，層高分別為0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 mm，打印PCL模型；不同層高條件下，成型所需的螺桿轉速不同，層高分別為0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 mm的情況下，與之對應的螺桿轉速分別為：0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 r/min；

選擇成型溫度為90 ℃，打印層高為0.3 mm,打印速度為35 mm/s, 室溫為21 ℃，成型路徑為長邊路徑，打印PCL標準拉伸測試樣條和彎曲樣條；選擇注射溫度為90 ℃，注射壓力為60 MPa,注射速度為60 mm/s，保壓時間為5 s，采用注射成型制備標注測試樣條，注射成型澆口位置如圖2所示。

圖2 注射成型澆口位置示意圖Fig.2 Injection molding gate position

1.4 性能測試與結構表征

最大翹曲變形量模型如圖3所示，為了表征翹曲變形量需要測量翹曲變形量(δ)的值，δ測量方法如圖4，將打印的PCL制品兩端與平直的鋼尺貼齊，制品中間與鋼尺上表面的垂直距離即為δ；采用游標卡尺的內測量爪分別測得各個溫度下的δ；

圖3 最大翹曲變形量模型Fig.3 The model of maximum warping deformation

圖4 翹曲變形量測試方法
Fig.4 The test method of warping deformation

采用微機控制電子萬能試驗機分別對3D打印標準樣條和注射成型標準樣條進行拉伸測試和彎曲測試；3D打印和注射成型拉伸樣條和彎曲樣條均為5個，測完后各組數(shù)據(jù)取平均值。

2 結果與討論

2.1 成型溫度對翹曲變形的影響

本文的聚合物熔體微分打印機擠出部分采用的是2段式加熱系統(tǒng)，前一段主要是對擠出機構進行加熱，后一段主要是對螺桿擠出建壓系統(tǒng)進行加熱。當噴嘴將熔融的聚合物沉積在下一層上時，沉積的聚合物間的熱量交換必然會引起聚合物的冷卻收縮，從而導致制品內應力分布不均，造成制品成型后發(fā)生翹曲變形。影響翹曲變形的主要因素有成型溫度和打印層高等。

不同成型溫度下打印的PCL模型如圖5所示，圖5中從左到右的PCL打印模型成型溫度分別為60、70、80、90、100、110、120 ℃，可以看出，隨著溫度的上升，PCL制品的翹曲變形量出現(xiàn)了先減小后增大的趨勢，為了找到合適的成型溫度，對各個溫度下的PCL制品的最大δ進行測量。精確測量各個制品的δ如圖6所示。從圖6中可以看到，打印層高為0.25 mm時，當成型溫度從60 ℃上升到120 ℃的過程中，PCL制品的翹曲變形量先減小后增加。在90 ℃時，翹曲變形量最小，為1.35 mm。其主要原因是：當成型溫度為60 ℃時，剛好達到PCL熔點，熔融的PCL從噴嘴擠出后固化較快，導致絲與絲之間、層與層之間粘接性能差，物料冷卻后本身收縮，產生較大翹曲變形；隨著溫度的升高，PCL絲與絲之間、層與層之間的粘接的更緊密，因此翹曲變形量變小，隨著溫度的升高，材料的收縮變形量也隨之增大，但當溫度大于90 ℃后，材料收縮量對翹曲變形量的影響大于層與層粘接性能的影響，因此較好的成型溫度為90 ℃。

2.2 打印層高對翹曲變形的影響

當打印溫度為90 ℃時，分別在層高為0.2、0.25、

圖5 不同成形溫度的翹曲變形實驗分析Fig.5 The experimental analysis of warpageat different forming temperature

圖6 成型溫度與δ的關系Fig.6 The relationship between δ and forming temperature

0.3、0.35、0.4 mm的5種情況下，分析打印層高對PCL制品翹曲變形的影響，從圖7中可以看出：在打印層高從0.2 mm增加到0.4 mm的過程中，PCL制品δ呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。為了找到合適的打印層高，對各個打印層高下的PCL制品的δ進行測量，得出的數(shù)據(jù)如圖8所示。從圖8中可以看出，在打印層高從0.2 mm增加到0.4 mm的過程中，PCL制品δ先減小后增大，當層高為0.3 mm時δ最小，為0.59 mm。其主要原因是：打印噴嘴內徑為0.4 mm,當層高為0.2 mm時，每一層所需的材料較少，從噴嘴擠出的絲在打印的路徑方向上受到較大拉伸，因此冷卻收縮后會導致更大的翹曲變形，并且當層高為0.2 mm時，打印同一個制品需要的層數(shù)較多，每一層的收縮率疊加起來導致制品的δ較大；隨著層高增加，打印層數(shù)減少，絲在打印的路徑方向上受到拉伸力減小，δ減小，但是當打印層厚超過0.3 mm后，由于噴嘴直徑為0.4 mm，出絲直徑有限，導致每層的出料量不足，層與層之間貼合不夠緊密，因此，層與層之間粘接性能低，PCL制品δ增大。所以打印層厚為0.3 mm較好。

圖7 不同打印層高的翹曲變形實驗分析Fig.7 The experimental analysis of warpageof different printing layers

圖8 打印層高與δ的關系Fig.8 The relationship between warpingdeformation and printing layer height

2.3 PCL打印制品力學性能分析

為了研究3D打印PCL制品的力學性能，分別用3D打印工藝和注射成型工藝制備PCL拉伸樣條和彎曲樣條做拉伸強度和彎曲強度測試，所制備的樣條如圖9所示。

(a)打印拉伸樣條 (b)注射拉伸樣條(c)打印彎曲樣條 (d)注射彎曲樣條圖9 3D打印和注射成型制備的力學性能測試樣條Fig.9 Mechanical properties test splines preparedby 3D printing and injection molding

分別對聚己內酯3D打印和注射成型工藝進行力學性能分析，對制備的樣條進行拉伸和彎曲測試，得到結果如表1所示。從表1中可以看出，3D打印PCL的拉伸強度為18.94 MPa，比注射成型高14.35 %，斷裂伸長率為470.34 %，比注射成型高6.17 %，彎曲強度為16.07 MPa，比注射成型高33.92 %，因此，PCL非常適合3D打印。3D打印PCL的拉伸強度，彎曲強度和斷裂伸長率均高于傳統(tǒng)注射成型工藝,其主要原因是：3D打印PCL時，在打印的路徑上，PCL絲料受到拉伸， PCL分子產生取向，3D打印PCL制品在拉伸和彎曲的方向上力學性能得到提升，而在注射成型過程中，分子排布無規(guī)律，3D打印PCL分子取向度高于注射成型，因此，3D打印PCL制品的力學性能高于注射成型工藝。

表1 PCL注射成型工藝與3D打印制品力學性能對比Tab.1 Comparison of mechanical properties of PCL productsmade by injection molding and 3D printing

3 結論

(1)在成型溫度從60 ℃升到120 ℃的過程中，PCL制品的δ先減小后增大，當溫度為90 ℃時，δ最?。?/p>

(2)隨著打印層高從0.2 mm增大到0.4 mm,PCL制品的δ先減小后增大，當打印層高為0.3 mm時，制品δ最?。?/p>

(3)3D打印PCL的拉伸強度、彎曲強度和斷裂伸長率均高于傳統(tǒng)注射成型工藝。

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