注塑短桿法篩選FDM工藝打印材料

供稿人:單存清-王玲

FDM工藝的典型材料是常見的熱塑性聚合物，比如聚乳酸（polylactic acid，PLA）、丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物（acrylonitrile-butadiene-styrene，ABS）、聚醚酰亞胺（polyetherimide，PEI），這些是針對業(yè)余愛好和通用市場以及高性能工程部件的最具代表性的示例。然而，對于功能應(yīng)用，與常規(guī)的擠出和注塑成型部件相比，由逐層制造引起的各向異性機(jī)械性能是FDM成型部件的典型缺點(diǎn)和限制。

目前流行的FDM工藝材料大都是非晶態(tài)聚合物，只有極少部分具有較低結(jié)晶度的半結(jié)晶性聚合物（如PLA、尼龍）被用于制作FDM工藝絲材。因此，需要來發(fā)更多可作為FDM技術(shù)的半結(jié)晶性塑料。

圖1. 翹曲變形測量（左）力學(xué)測試樣件截取（右）

聚丙烯（polypropylene，PP）是最常見的用于消費(fèi)品和技術(shù)產(chǎn)品中的半結(jié)晶熱塑性聚合物材料。它具有卓越的機(jī)械性能，出色的加工性能，高耐化學(xué)性，低密度。 此外，PP還易于改性以滿足各種應(yīng)用，比如通過與乙烯共聚，以及通過與添加劑和填料配混來進(jìn)行。 聚丙烯 - 乙烯無規(guī)共聚物（Polypropylene-ethylene random copolymers，raco PP）在薄膜和剛性填料等應(yīng)用中起著重要作用。由于乙烯單元的加入，共聚物具有較低結(jié)晶度，使raco PP具有良好的透明度和柔軟性，并且具有較好沖擊強(qiáng)度，也使其有希望用于FDM加工。

圖2. 材料的翹曲變形與結(jié)晶度

因?yàn)镻P等半結(jié)晶聚合物在冷卻時(shí)表現(xiàn)出高體積收縮，導(dǎo)致打印出現(xiàn)較明顯的翹曲變形，只有少數(shù)研究集中在使用PP作為FDM打印原材料。但是，相比出現(xiàn)可接受的翹曲，打印件具有更好的機(jī)械性能更加重要。目前為了開發(fā)FDM原料，一般使用標(biāo)準(zhǔn)的單螺桿長絲擠出對純聚合物進(jìn)行配混和加工，使用這種方式需要相當(dāng)長的時(shí)間和至少1千克的材料用于擠出工藝優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)令人滿意的長絲質(zhì)量，用于進(jìn)一步的FDM成型。直到目前還沒有建立起針對半結(jié)晶聚合物以及共聚材料進(jìn)行有效的FDM打印材料并且對打印性能（如翹曲程度，結(jié)合強(qiáng)度）進(jìn)行評(píng)估的篩選方法。

德國拜羅伊特大學(xué)的研究者開發(fā)了一種加工方法用于FDM材料的篩選，它只需要少量的聚合物，再通過打印薄壁幾何結(jié)構(gòu)對材料的打印性能進(jìn)行評(píng)估。研究者先將少量（8.5g）原材料在錐形混合器中混合均勻，然后注塑成型6支直徑3mm長度14cm的短桿，再使用改造過的FDM打印機(jī)以準(zhǔn)備好的短桿為耗材打印方形單壁試樣測試打印件翹曲程度以及結(jié)合強(qiáng)度（圖1）。機(jī)械性能的測試方法是從方形單壁試樣的壁上截取力學(xué)測試樣件，分別沿打印方向0°和90°截取，對應(yīng)打印方向強(qiáng)度和層間結(jié)合強(qiáng)度。方形單壁樣件為每層只有一條路徑，這樣是為了排除線間打印的孔隙對層間結(jié)合強(qiáng)度測試結(jié)果的影響。

圖3. PP材料拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

研究者采用以上方法將三種不同的PP注塑原材料與兩種現(xiàn)有的FDM PP連續(xù)長絲耗材，以及一種ABS連續(xù)長絲耗材的打印性能進(jìn)行對比，如圖2、3所示試驗(yàn)結(jié)果顯示：1）材料結(jié)晶度越高，打印件的翹曲變形程度越高；2）0°試樣相較于90°試樣具有更高的拉伸強(qiáng)度和斷后延伸率；3）相比其他兩種PP材料，材料raco PP 2具有更好的打印性能。

參考文獻(xiàn)：
Jin, M., Giesa, R., Neuber, C., & Schmidt, H.-W. (2018). Filament Materials Screening for FDM 3D Printing by Means of Injection-Molded Short Rods. Macromolecular Materials and Engineering, 303(12). doi:10.1002/mame.201800507.

供稿人:單存清-王玲 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室