超大尺度高分子復(fù)合材料3D打印工藝參數(shù)研究*

陸承麟，陳曉明，周 鳴，石 峰

(1.上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080；2.上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，上海 200072；3.上海面向典型建筑應(yīng)用機(jī)器人工程技術(shù)研究中心，上海 200072；4.上?？狷棛C(jī)器人科技有限公司，上海 201906)

0 引言

3D打印技術(shù)即快速成型技術(shù)，也稱為增材制造技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通常采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體。

現(xiàn)階段，桌面3D打印技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于教育、珠寶、文創(chuàng)等領(lǐng)域，工業(yè)級(jí)3D打印技術(shù)由于具有制造速度快、可助力產(chǎn)品迭代等特性，在航空航天、汽車等高科技領(lǐng)域得到廣泛認(rèn)可，在生產(chǎn)鏈中已替代部分老舊工藝。美國已采用復(fù)合碳纖維高分子材料增材制造技術(shù)打印了船體、風(fēng)電葉片等，如圖1所示。

圖1 美國緬因大學(xué)3D打印游艇

超大尺度增材制造技術(shù)相關(guān)工藝仍需進(jìn)一步深入研究，為此，本文基于打印線寬、擠出轉(zhuǎn)速、設(shè)備運(yùn)動(dòng)速度等主要打印參數(shù)，研究參數(shù)之間的關(guān)系，為工藝優(yōu)化提供參考。

1 打印材料

本研究采用的打印材料為適用于超大尺度增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的直徑3mm顆粒料，基材選用3種具有代表性的材料，分別為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，丙烯酸酯類橡膠體與丙烯腈、苯乙烯的接枝共聚物(ASA)及聚酰胺6(尼龍6)，分別采用復(fù)合20%玻璃纖維及20%碳纖維的方式，制成高分子復(fù)合材料，如圖2所示。

圖2 高分子復(fù)合材料

經(jīng)打印測試可知，打印材料具有高耐候性、高物理機(jī)械性、高打印穩(wěn)定性，且綠色環(huán)保，可回收作為二級(jí)材料使用。

2 打印裝備

本研究采用的打印裝備為超大尺度高分子復(fù)合材料增減材一體化龍門式打印機(jī)，主要由龍門式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、高流量擠出裝置、5軸聯(lián)動(dòng)加工頭、工作平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)、操作系統(tǒng)等組成，如圖3所示。高流量(22kg/h)擠出裝置如圖4所示。

圖3 超大尺度高分子復(fù)合材料增減材一體化龍門式打印機(jī)

圖4 高流量擠出裝置

整套打印設(shè)備打印空間范圍為15m×4m×1.5m，穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)速度為10 000mm/min，定位精度為±0.1mm，打印速度為12kg/h，打印噴頭口模直徑為5～8mm，可驗(yàn)證的打印系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定工作時(shí)長≥720h。

3 打印參數(shù)關(guān)系研究

3.1 主要參數(shù)

超大尺度高分子復(fù)合材料增材制造工藝參數(shù)中，單道打印線寬指單次循環(huán)形成的曲面體(沿熔融沉積厚度方向排列)完成面內(nèi)側(cè)到外側(cè)的距離，如圖5所示；單層打印層高指單次循環(huán)形成的具有一定厚度曲面體(沿熔融沉積堆積方向排列)完成頂面到前層完成頂面的距離，如圖6所示；高流量擠出裝置轉(zhuǎn)速指單位時(shí)間熔融材料從口模擠出后的運(yùn)動(dòng)距離；打印運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度指單位時(shí)間熔融材料運(yùn)動(dòng)距離；層間黏結(jié)強(qiáng)度指打印零部件逐層打印時(shí)，相鄰打印層之間的結(jié)合力；材料玻璃化溫度指無定形聚合物或半結(jié)晶聚合物中的無定形區(qū)域從黏流態(tài)或橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?jiān)硬、相對脆的玻璃態(tài)時(shí)，近似2種狀態(tài)中間的溫度。

圖5 單道打印線寬示意

圖6 單層打印層高示意

3.2 參數(shù)關(guān)系擬合

實(shí)際打印過程中，不同的應(yīng)用場景應(yīng)配置不同的打印參數(shù)，而打印參數(shù)常通過人工打印測試確定，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為此，收集多次打印測試參數(shù)值，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)值，可通過構(gòu)件數(shù)學(xué)模型結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方式證明根據(jù)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值建立的數(shù)學(xué)模型可靠性。

由多次打印測試可知，高流量擠出裝置轉(zhuǎn)速越大，流量越大，單道打印線寬越寬，即單道打印線寬與高流量擠出裝置轉(zhuǎn)速成正比；打印運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度越快，單道打印線寬越窄，即單道打印線寬與打印運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度成反比?；诖?，可建立如下數(shù)學(xué)模型：

w=Ks/f

(1)

式中：w為單道打印線寬；K為系數(shù)，本研究取 63.53；s為高流量擠出裝置轉(zhuǎn)速；f為打印運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度。

系數(shù)K需要推導(dǎo)，確定該值后，后期工藝優(yōu)化及生產(chǎn)時(shí)可通過式(1)計(jì)算相關(guān)工藝參數(shù)，以指導(dǎo)打印工作。為確定K值，采用方形打印測試模型，通過控制打印運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度，收集高流量擠出裝置轉(zhuǎn)速、單道打印線寬數(shù)據(jù)(見表1)，將表1數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB軟件中進(jìn)行計(jì)算，借助cftool命令進(jìn)行一元線性擬合。經(jīng)一元線性擬合得出95%的數(shù)據(jù)為置信數(shù)據(jù)，排除另外5%偏差過大的數(shù)據(jù)。計(jì)算得到K值范圍為60.09～66.97，平均值為63.53。

表1 打印參數(shù)值

3.3 打印構(gòu)件溫度場

以材料熱歷史為基礎(chǔ)，研發(fā)打印材料、工藝和裝備，材料、工藝和裝備良好配合可實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量的打印。

超大尺度高分子復(fù)合材料增材制造過程中熱歷史表征方法如圖7所示。采用紅外熱像儀監(jiān)測打印過程中打印構(gòu)件單層溫度變化情況，記錄打印構(gòu)件開裂、翹曲情況。打印過程中，熔融材料擠出后層層疊加堆積，隨著熔融材料冷卻定形，當(dāng)熔融材料溫度高于玻璃化溫度時(shí)，分子鏈段具備運(yùn)動(dòng)能力，可實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)應(yīng)力的釋放、分子鏈擴(kuò)散及層間黏結(jié)。對每層溫度變化情況進(jìn)行記錄至關(guān)重要，可用于衡量材料打印性。

圖7 熱歷史表征示意

需引入2個(gè)主要打印測試過程參數(shù)：①單層打印時(shí)間 用于衡量打印速度，打印速度越快，單層打印時(shí)間越短；②前層打印起始點(diǎn)溫度 打印前層時(shí)，后層經(jīng)歷1次單層打印時(shí)間冷卻后的溫度，用于衡量打印層冷卻速度。

本次測試采用單一變量控制法，設(shè)定高流量擠出裝置3段熔融溫度為固定值，分別為210，245，230℃，打印速度為12kg/h，單道打印線寬為12mm，單層打印層高為3mm，環(huán)境溫度為30℃，測試層為20層時(shí)，3種高分子復(fù)合材料打印測試過程參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。熱歷史曲線分別如圖8～10所示。

表2 高分子復(fù)合材料打印測試過程參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表2可知，打印過程中單層打印時(shí)間越短，3種高分子復(fù)合材料打印構(gòu)件前層打印起始點(diǎn)溫度越高，玻璃化溫度以上停留時(shí)間越長(玻璃纖維增強(qiáng)ASA工程塑料和碳纖維增強(qiáng)ABS工程塑料打印構(gòu)件尤為明顯)。這是因?yàn)閱螌哟蛴r(shí)間越短，打印噴頭運(yùn)動(dòng)速度越快，使下層復(fù)合材料降溫時(shí)間越短，復(fù)合材料殘余溫度越高，前層打印起始點(diǎn)溫度越高，進(jìn)而延長玻璃化溫度以上停留時(shí)間。由于玻璃纖維增強(qiáng)ASA工程塑料和碳纖維增強(qiáng)ABS工程塑料打印構(gòu)件加工溫度相近，因此前層打印起始點(diǎn)溫度和玻璃化溫度以上停留時(shí)間較接近。而玻璃纖維增強(qiáng)尼龍6打印構(gòu)件加工溫度更高，因此前層打印起始點(diǎn)溫度較高，且玻璃化溫度以上停留時(shí)間較長。

圖8 玻璃纖維增強(qiáng)ASA工程塑料打印構(gòu)件熱歷史曲線

圖9 碳纖維增強(qiáng)ABS工程塑料打印構(gòu)件熱歷史曲線

圖10 玻璃纖維增強(qiáng)尼龍6打印構(gòu)件熱歷史曲線

結(jié)合多次測試結(jié)果可知，玻璃化溫度以上停留時(shí)間與材料擠出溫度、打印運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度、打印速度、環(huán)境溫度、單位體積儲(chǔ)熱量成正比，與單層打印時(shí)間成反比。

打印過程中打印構(gòu)件翹曲和開裂情況如表3所示。由表3可知，碳纖維增強(qiáng)ABS工程塑料打印性最佳，單層打印時(shí)間為110，310s時(shí)均未出現(xiàn)翹曲、開裂情況，可知碳纖維復(fù)合材料在抑制翹曲、提升材料打印性上優(yōu)于玻璃纖維復(fù)合材料。

表3 打印構(gòu)件翹曲和開裂情況

打印過程中打印構(gòu)件彎曲強(qiáng)度(層間黏結(jié)強(qiáng)度)如表4所示。由表4可知，3種高分子復(fù)合材料打印構(gòu)件xy向彎曲強(qiáng)度均高于z向彎曲強(qiáng)度，這是因?yàn)閦向?yàn)榇蛴?gòu)件層間堆積方向，為打印構(gòu)件力學(xué)性能薄弱方向；隨著單層打印時(shí)間的縮短，打印構(gòu)件彎曲強(qiáng)度提高，且z向彎曲強(qiáng)度提高幅度較大；玻璃纖維增強(qiáng)ASA工程塑料和碳纖維增強(qiáng)ABS工程塑料打印構(gòu)件各向彎曲強(qiáng)度相差較小；玻璃纖維增強(qiáng)尼龍6打印構(gòu)件與玻璃纖維增強(qiáng)ASA工程塑料相比，xy，z向彎曲強(qiáng)度明顯較高，表明尼龍6復(fù)合材料具有更好的層間黏結(jié)性。

表4 打印構(gòu)件彎曲強(qiáng)度

4 結(jié)語

1)單道打印線寬與高流量擠出裝置轉(zhuǎn)速成正比，與打印運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度成反比。

2)對于同一打印設(shè)備，保持單道打印線寬不變時(shí)，打印運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度與高流量擠出裝置轉(zhuǎn)速的比值為常數(shù)。

3)玻璃化溫度以上停留時(shí)間與材料擠出溫度、打印運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度、打印產(chǎn)量、環(huán)境溫度、單位體積儲(chǔ)熱量成正比，與單層打印時(shí)間成反比。

4)打印構(gòu)件自身儲(chǔ)熱能力越強(qiáng)，玻璃化溫度以上停留時(shí)間越長，與上、下層復(fù)合材料及外界的熱交換越充分，從而引發(fā)的變形量越小，越不易發(fā)生翹曲和開裂。

5)可通過設(shè)置不同的打印運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度與高流量擠出裝置轉(zhuǎn)速，改變單層打印時(shí)間，以保證整個(gè)打印構(gòu)件受熱更均勻，減小內(nèi)應(yīng)力，避免打印過程中出現(xiàn)翹曲和開裂現(xiàn)象。

6)玻璃纖維增強(qiáng)ASA工程塑料、碳纖維增強(qiáng)ABS工程塑料、玻璃纖維增強(qiáng)尼龍6打印構(gòu)件xy向彎曲強(qiáng)度均高于z向彎曲強(qiáng)度，隨著單層打印時(shí)間的縮短，打印構(gòu)件彎曲強(qiáng)度提高，且z向彎曲強(qiáng)度提高幅度較大。