寧波材料所在高分子復(fù)合材料3D打印方面取得進展

來源：中國科學(xué)院網(wǎng)站

隨著科技的不斷發(fā)展進步，3D打印技術(shù)作為一種全新的數(shù)字化模擬制造技術(shù)應(yīng)運而生并迅速發(fā)展。其中，熔融沉積技術(shù)具有設(shè)備簡單、工藝潔凈、運行成本低且不產(chǎn)生過多加工殘留物等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于快速原型和教育等領(lǐng)域。但現(xiàn)有的熔融沉積材料主要以ABS和PLA等通用塑料為主，需要針對工業(yè)產(chǎn)品制造開發(fā)適合高強度工程塑料等材料的3D打印成型技術(shù)。

圖1 共混物熔融沉積成型流程圖

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所增材制造重點實驗室許高杰團隊針對高性能工程塑料3D打印技術(shù)開展了一系列研究工作。選取了具有高堅韌度和抗疲勞特性的半晶態(tài)尼龍12和高強度聚醚酰亞胺作為基體，研究了熔體流變特性對熔融長絲燒結(jié)特性的影響，對高性能工程塑料的3D打印工藝參數(shù)、工業(yè)可用性進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，半結(jié)晶高分子具有較好的流變性能和快速燒結(jié)特性，在合適的打印條件下能夠獲得接近注塑件的力學(xué)性能。拓展了高溫高強度工程塑料在熔融沉積技術(shù)中的應(yīng)用（Rapid Prototyping Journal, 2017, 23(6), 973–982. High Performance Polymers, 2019, 31(1): 97-106）。

圖2 注塑（a）和打印（b）成型件中TPU的分布形貌

由于熔融沉積層層疊加成型過程產(chǎn)生的空隙會不可避免地降低3D打印產(chǎn)品的機械強度，嚴重制約了熔融沉積技術(shù)的應(yīng)用推廣。研究人員在工藝研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了尼龍12/氧化石墨烯、尼龍12/碳纖維復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)兩種填料在熔融沉積成型過程中可實現(xiàn)取向分布，不僅有效提高了產(chǎn)品的機械強度（GNPs 7%和CFs 251.1%），還能夠?qū)Ξa(chǎn)品熱導(dǎo)率（提高51.4%）進行靈活調(diào)控（Journal of Applied Polymer Science, 2017, 134(39), 45332.; Materials & Design, 2018, 139: 283-292）。

圖3 TPU含量和分布結(jié)構(gòu)對制件沖擊強度的影響

最近，研究人員以聚乳酸（PLA）為基體，以熱塑性聚氨酯（TPU）為填料，通過熔融沉積技術(shù)的整個加工流程實現(xiàn)了彈性體TPU原位成纖，纖維狀TPU的平均長度可以實現(xiàn)從67.24μm到103.72μm的精準調(diào)控。同時，TPU成纖有效改善了其與PLA基體的界面結(jié)合力。研究發(fā)現(xiàn)，3D打印形成的網(wǎng)格狀TPU可有效補償打印空隙對打印件力學(xué)強度的弱化效應(yīng)，使產(chǎn)品的韌性達到甚至超過注塑水平。該熔融沉積原位纖維技術(shù)為制備高韌性聚乳酸復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件提供了簡便有效的方法（Macromolecular Materials and Engineering, 2019, 1900107）。


以上工作得到國家自然科學(xué)基金（11574331, 11674335）和寧波市科技局（2016B10005, 2018A610009）的資助。