超大尺度3D打印景觀橋制造材料研發(fā)*

郝明洋，黃宇立，陳曉明，羅小帆，陸承麟,4

(1.蘇州聚復(fù)高分子材料有限公司，江蘇 常熟 215513；2.上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080；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.上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，上海 200072)

0 引言

3D打印技術(shù)(增材制造技術(shù))作為基于數(shù)字技術(shù)的柔性化成型方式，可制作形狀復(fù)雜的曲面構(gòu)件，使建筑形態(tài)更靈活。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)將3D打印技術(shù)分為7類，分別為材料擠出成型技術(shù)、粘合劑噴射成型技術(shù)、材料噴射成型技術(shù)、粉末床熔融成型技術(shù)、光聚合固化技術(shù)、定向能量沉積技術(shù)和薄膜層積技術(shù)。

材料擠出成型技術(shù)以材料兼容性強(qiáng)、裝備制造成本優(yōu)化空間大等特點(diǎn)，占整個(gè)增材制造市場的30%以上，是增材制造走向工業(yè)化應(yīng)用的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。目前，最主流的材料擠出成型技術(shù)為線材熔融沉積成型技術(shù)，線材在成型過程中作為輸送、計(jì)量、成型主體，因此線材硬度、耐摩擦性等對(duì)打印速度具有一定影響。線材熔融沉積成型技術(shù)打印速度多為20～200g/h。隨著增材制造逐步走向工業(yè)化應(yīng)用和大規(guī)模量產(chǎn)，高制造效率需求與低打印速度之間的矛盾逐漸凸顯，暴露出線材熔融沉積成型技術(shù)的不足。

近年來，研發(fā)了基于擠出式的超大尺度增材制造技術(shù)，該技術(shù)區(qū)別于線材熔融沉積成型技術(shù)，使用粒料進(jìn)行熔融擠出打印，打印頭為單螺桿擠出裝備(擠出速度可達(dá)10～100kg/h)，打印效率已完全達(dá)到聚合物材料傳統(tǒng)工業(yè)級(jí)成型加工效率。超大尺度增材制造技術(shù)成型尺寸遠(yuǎn)大于線材熔融沉積成型技術(shù)與傳統(tǒng)的聚合物成型技術(shù)，大大提高了增材制造效率，可實(shí)現(xiàn)超大尺度構(gòu)件的制作。

材料擠出成型技術(shù)所用材料來源較廣，可基于現(xiàn)有聚合物材料工業(yè)體系，快速實(shí)現(xiàn)技術(shù)迭代和應(yīng)用開發(fā)。對(duì)于線材熔融沉積成型技術(shù)，最主流的材料為聚乳酸，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元嵌段共聚物，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯-1，4-環(huán)己烷二甲醇酯及少量工程塑料和高性能塑料(聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚亞苯基砜樹脂等)，由于需將以上材料制成線材，且要求線材在使用過程中保持一定韌性，因此往往無法在材料中加入足夠的無機(jī)增強(qiáng)組分，使材料僅能適應(yīng)較小的打印空間(長、寬、高均<1m)。在超大尺度增材制造技術(shù)中，以上材料在打印過程中會(huì)因材料熔體強(qiáng)度較低而發(fā)生坍塌和錯(cuò)層等，且在冷卻過程中會(huì)因內(nèi)應(yīng)力及熱收縮發(fā)生翹曲、開裂及變形。

綜上所述，由于超大尺度增材制造技術(shù)為全新高分子加工方式，材料加工過程與熱歷史既不同于線材熔融沉積成型技術(shù)，又不同于傳統(tǒng)塑料加工工藝(注塑、擠出等)，因此須針對(duì)超大尺度增材制造技術(shù)進(jìn)行定制化材料研發(fā)。此外，由于超大尺度增材制造技術(shù)所用材料多用于制造室外景觀橋，要求材料滿足長時(shí)間室外使用需求，對(duì)材料耐候性提出了較高要求。

針對(duì)超大尺度增材制造過程中關(guān)鍵材料面對(duì)的技術(shù)挑戰(zhàn)，筆者對(duì)材料進(jìn)行了較長時(shí)間的研發(fā)，并對(duì)材料耐候性、拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、線性膨脹系數(shù)進(jìn)行了研究，其中耐候性、彎曲模量和線性膨脹系數(shù)主要與打印構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性有關(guān)，z向彎曲強(qiáng)度主要與打印構(gòu)件層間結(jié)合力有關(guān)。

1 材料耐候性

由于室外景觀橋?qū)Σ牧夏秃蛐缘囊筝^高，選擇耐候性ASA(丙烯酸酯類橡膠體與丙烯腈、苯乙烯的接枝共聚物)工程塑料作為樹脂主基材。ASA工程塑料具有良好的機(jī)械物理性能，與ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物)工程塑料結(jié)構(gòu)相似，在保留ABS工程塑料良好機(jī)械物理性能的同時(shí)，增強(qiáng)了耐候性。高分子聚合物中如含有雙鍵，雙鍵易被能量強(qiáng)度較大的太陽光紫外線打開，造成高分子聚合物耐老化性下降，而ASA工程塑料利用不含不飽和雙鍵的丙烯酸酯橡膠替代了ABS中含有不飽和雙鍵的丁二烯橡膠，不僅可抵抗紫外線照射引起的降解、老化、褪色，且可避免在大氣氧化加工過程中由高溫引起的分解或變色，提高了材料抗老化性與耐候性。

為衡量ASA工程塑料耐候性，開展自然老化與加速老化試驗(yàn)，研究顏色與老化時(shí)間的關(guān)系及輻照量與顏色、拉伸強(qiáng)度的關(guān)系，如圖1～3所示。

圖1 ASA工程塑料在自然狀態(tài)下的顏色-時(shí)間關(guān)系曲線

圖2 ASA，ABS工程塑料顏色-輻照量關(guān)系曲線

圖3 ASA，ABS工程塑料拉伸強(qiáng)度-輻照量關(guān)系曲線

由圖1可知，ASA工程塑料在經(jīng)過為期2年的自然老化試驗(yàn)后，僅發(fā)生了輕微的顏色變化。由圖2，3可知，加速老化試驗(yàn)中ASA工程塑料顏色穩(wěn)定性與力學(xué)性能穩(wěn)定性均優(yōu)于ABS工程塑料，可將ASA工程塑料視為室外使用的優(yōu)良材料。

ASA工程塑料樹脂主基材流動(dòng)性對(duì)材料打印成型過程中熔融塑化性能和打印構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力釋放具有一定影響，主基材需具備較高的流動(dòng)性，以保證材料易打印性。通過熔體質(zhì)量流動(dòng)速率衡量樹脂主基材流動(dòng)性，以對(duì)樹脂進(jìn)行選擇優(yōu)化。在溫度220℃、受荷100N的試驗(yàn)條件下，測(cè)定ASA工程塑料熔體質(zhì)量流動(dòng)速率，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選樹脂熔體質(zhì)量流動(dòng)速度為3～8g/10min。

表1 玻璃纖維增強(qiáng)作用對(duì)ASA工程塑料性能的影響

表2 原位反應(yīng)對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)工程塑料性能的影響

2 材料強(qiáng)度、模量與線性膨脹系數(shù)

根據(jù)工程需求，為保證材料具有優(yōu)異的打印性，并提高打印構(gòu)件力學(xué)性能，引入纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料技術(shù)，有效促進(jìn)聚合物材料熔融加工過程中的應(yīng)力釋放，大幅度提高復(fù)合材料剛性，抑制打印過程中翹曲的發(fā)生，提升打印構(gòu)件后期使用過程中的抗蠕變性。

采用高強(qiáng)度E級(jí)玻璃纖維，其單絲彈性模量達(dá)60～80GPa。對(duì)纖維表面進(jìn)行化學(xué)改性處理，以保證與ASA工程塑料樹脂主基材具有良好的浸潤性。

2019年，采用3D打印技術(shù)建造的多維曲面高分子復(fù)合材料景觀橋在上海市普陀區(qū)桃浦中央綠地投入使用。在該橋建造期間，采用雙螺桿擠出機(jī)熔融混煉加工工藝，制備玻璃纖維增強(qiáng)ASA工程塑料，研究了玻璃纖維增強(qiáng)作用對(duì)ASA工程塑料強(qiáng)度、線性膨脹系數(shù)等的影響。拉伸模量是最直觀反映復(fù)合材料剛性的參數(shù)，對(duì)于超大尺度增材制造而言，復(fù)合材料剛性尤為重要，較大的剛性可顯著抑制內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致的變形、翹曲。玻璃纖維增強(qiáng)前后ASA工程塑料拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、線性膨脹系數(shù)如表1所示。由表1可知，玻璃纖維增強(qiáng)后ASA工程塑料(玻璃纖維摻量10%)拉伸強(qiáng)度、拉伸模量均有大幅度上升，而線性膨脹系數(shù)明顯下降，表明玻璃纖維增強(qiáng)作用有利于復(fù)合材料在打印過程中抵抗內(nèi)應(yīng)力引起的翹曲，且有利于降低由于熱收縮引起的變形，進(jìn)而提高尺寸穩(wěn)定性。

2020年，泉州百崎湖生態(tài)連綿帶3D打印景觀橋建造完成。該橋?qū)Υ蛴?gòu)件尺寸穩(wěn)定性的要求高，因此采用玻璃纖維增強(qiáng)ASA工程塑料制作，采用雙螺桿擠出機(jī)熔融混煉加工工藝，基于原位反應(yīng)加工技術(shù)(在聚合物材料混煉加工過程中引入反應(yīng)性組分或添加劑，在熔融加工過程中完成聚合物材料的改性)，制備玻璃纖維增強(qiáng)ASA工程塑料(玻璃纖維摻量20%)、碳纖維增強(qiáng)ABS工程塑料(碳纖維摻量20%)、玻璃纖維增強(qiáng)尼龍6(玻璃纖維摻量20%)，對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度、模量進(jìn)行研究，結(jié)果如表2所示。由表2可知，原位反應(yīng)強(qiáng)化了纖維增強(qiáng)效果，提高了復(fù)合材料界面黏結(jié)作用。

上海市普陀區(qū)桃浦中央綠地3D打印景觀橋建造期間，采用雙螺桿擠出機(jī)熔融混煉加工工藝，制備玻璃纖維含量分別為10%，12.5%，15%的增強(qiáng)ASA工程塑料(見圖4)，根據(jù)GB/T 9341—2008《塑料 彎曲性能的測(cè)定》有關(guān)規(guī)定，對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)ASA工程塑料彎曲強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，研究不同玻璃纖維含量對(duì)打印構(gòu)件層間結(jié)合力的影響，結(jié)果如表3所示。由表3可知，隨著玻璃纖維含量的增加，打印構(gòu)件xy向彎曲強(qiáng)度不斷增加，而z向彎曲強(qiáng)度不斷降低。打印過程中發(fā)現(xiàn)，隨著玻璃纖維含量的增加，打印構(gòu)件表面浮纖維不斷增加?？紤]打印構(gòu)件z向?yàn)槿踺S方向，需確保z向力學(xué)性能，并保證打印構(gòu)件表面質(zhì)量，綜合考慮后選用玻璃纖維含量為10.0%的增強(qiáng)ASA工程塑料。

表4 原位反應(yīng)對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度、表面質(zhì)量的影響

圖4 玻璃纖維增強(qiáng)ASA工程塑料構(gòu)件

表3 玻璃纖維含量對(duì)打印構(gòu)件層間結(jié)合力的影響

3 原位反應(yīng)的影響

上海市普陀區(qū)桃浦中央綠地3D打印景觀橋建造期間，由于采用玻璃纖維增強(qiáng)ASA工程塑料，打印構(gòu)件力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性均有明顯提升，因此開展基于原位反應(yīng)加工技術(shù)的復(fù)合材料強(qiáng)度、表面質(zhì)量研究，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，帶原位反應(yīng)的玻璃纖維增強(qiáng)ASA工程塑料打印構(gòu)件表面光滑度較高，說明原位反應(yīng)使玻璃纖維與基體材料結(jié)合效果較好，即使提高了玻璃纖維含量，打印構(gòu)件表面質(zhì)量仍較好；帶原位反應(yīng)玻璃纖維增強(qiáng)ASA工程塑料打印構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性較好，層間結(jié)合力較大。因此，建造泉州百崎湖生態(tài)連綿帶3D打印景觀橋時(shí)優(yōu)先選用帶原位反應(yīng)的玻璃纖維增強(qiáng)ASA工程塑料(玻璃纖維摻量20%)。

4 結(jié)語

基于景觀橋超大尺度增材制造技術(shù)應(yīng)用需求，對(duì)材料耐候性、拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、線性膨脹系數(shù)進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

1)ASA工程塑料在經(jīng)過為期2年的自然老化試驗(yàn)后，僅發(fā)生了輕微的顏色變化。

2)ASA工程塑料顏色穩(wěn)定性與力學(xué)性能穩(wěn)定性均優(yōu)于ABS工程塑料，可將ASA工程塑料視為室外使用的優(yōu)良材料。

3)摻加10%玻璃纖維后，ASA工程塑料拉伸強(qiáng)度、拉伸模量均有大幅度上升，而線性膨脹系數(shù)明顯下降，玻璃纖維增強(qiáng)作用有利于復(fù)合材料在打印過程中抵抗內(nèi)應(yīng)力引起的翹曲，且有利于降低由于熱收縮引起的變形，進(jìn)而提高尺寸穩(wěn)定性。

4)原位反應(yīng)強(qiáng)化了纖維增強(qiáng)效果，提高了復(fù)合材料界面黏結(jié)作用。

5)隨著玻璃纖維含量的增加，打印構(gòu)件xy向彎曲強(qiáng)度不斷增加，z向彎曲強(qiáng)度不斷降低，表面浮纖維不斷增加，需確保打印構(gòu)件z向力學(xué)性能，并綜合考慮構(gòu)件表面質(zhì)量。

6)帶原位反應(yīng)的玻璃纖維增強(qiáng)ASA工程塑料打印構(gòu)件表面光滑度較高，說明原位反應(yīng)使玻璃纖維與基體材料結(jié)合效果更好，且打印構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性較好，層間結(jié)合力較大。