直接觀察3D聚合物打印時線材如何填充擠出管

來源：化學(xué)與材料科學(xué)  

3D打印技術(shù)已被廣泛用于快速原型制造，以及醫(yī)用植入物的制造等領(lǐng)域。在打印時，固體聚合物線材被送入擠出管內(nèi)融化，以生成構(gòu)建 3D產(chǎn)品所需的細絲。為方便送料，線材和擠出管內(nèi)壁設(shè)計留有約0.13 毫米的間隙。目前還不清楚，在打印時這個間隙是如何被融化的聚合物填充的。清楚了解填充機制，有助于對線材擠出過程中的溫度和壓力分布的建模。進而優(yōu)化打印參數(shù)，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量。

近期，德克薩斯大學(xué)羅成教授課題組用加熱的玻璃管，營造出與市售的3D打印機中金屬擠出管內(nèi)相似的環(huán)境，并透過玻璃管直接觀察丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 和聚乳酸 (PLA) 線材填充玻璃管的過程。首先，他們制定了一個判定間隙填充的標(biāo)準。然后，針對擠出溫度和進料速率的不同組合觀察間隙填充過程。他們使用了不同顏色制成的ABS 和 PLA 線材來輔助觀察。盡管 ABS 和 PLA 分屬于無定形和半結(jié)晶聚合物，但他們發(fā)現(xiàn)：1) 二者填充間隙的過程均包括三個基本步驟； 2) 間隙填充高度取決于擠出溫度和進料速率； 3) 從空管開始擠出，與擠出暫停后恢復(fù)擠出的兩個案例中，間隙填充高度沒有明顯差異。

如下面兩個短視頻所示，歸納出的三個基本填充的步驟為 : I） 線材端頭與加熱管壁接觸并迅速填充周圍的間隙。II）未填充的加熱部分空管，自上而下被填充。在此過程中，間隙填充高度基本維持不變。 III）聚合物進入噴嘴后，間隙填充高度上升。

視頻一是以中等速度（2.5 毫米/秒）輸送ABS線材的填充案例。視頻二是高送料速度（5.0 毫米/秒）的案例。兩個視頻中的擠出溫度同為230°C。實驗結(jié)果糾正了之前所認為的間隙是在線材進入噴嘴時才開始被填充的假設(shè)，對擠出管的設(shè)計有所幫助。同時，驗證了目前一些理論模型使用的假設(shè)：在正常打印時，擠出管可以近似為被完全填充。這些理論模型包括羅成教授與合作者在同一期刊發(fā)表的另外兩篇論文中使用的理論模型。

實驗工作主要由本文第一作者，德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校工程院博士生洪野完成。同校博士生Manjarik Mrinal和兩位本科生, Huy Si Phan和Vinh Dung Tran，提供了必要的實驗幫助。弗吉尼亞州立大學(xué)劉新川教授參與數(shù)據(jù)分析。

原文鏈接
https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102507