采用原位輔助加熱工藝對增材制造結構的層間增強

供稿人：趙藝帆、曹毅 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

材料擠壓，由于其廣泛應用于功能材料，如工程塑料、復合材料、生物相容性材料甚至可食用材料，是增材制造技術中最受歡迎和普遍應用的工藝，但其缺點是層間強度較差， z方向上與其他方向具有巨大的各向異性。

為此，該研究提出了一種有效的強化方法，在3D打印過程中引入雙向原位紅外(IR)加熱裝置。將輔助紅外輻射裝置應用于打印路徑沉積區(qū)域在玻璃化轉變溫度下的打印聚合物，這將會導致分子擴散和鏈在沉積界面再糾纏。此外，加熱技術不僅有助于消除由熱應力引起的結構缺陷，而且有助于提高機械強度，特別是在橫向和垂直方向上分層的結構。

實驗過程如下所示：采用輔助加熱裝置對3D打印機進行改造。對于PLA和PC的3D打印，噴嘴溫度分別設置為200℃和270℃。此外，為獲得穩(wěn)定的初始沉積，PC打印基板加熱到135℃。加熱模塊采用一對紅外輻照裝置，裝載在一個雙支架上，該支架安裝在打印噴嘴的圓周上，支架上的紅外輻照裝置可以繞z軸旋轉、傾斜并朝向或遠離噴嘴照射，可以控制目標的位置和焦距在打印路徑周圍進行紅外照射，如圖1所示。通過調(diào)整所連接電源的輸入電壓在5~20V范圍內(nèi)，將紅外裝置的照射功率設置在6~52W范圍內(nèi)。紅外源到工件表面的距離設置為15、20和25mm。對尺寸為90×25×2mm和15 ×4 ×40 mm的試樣進行拉伸測試。

圖1 （a）原位紅外輻照模塊的3d打印原理圖（b）從光源延伸到目標表面的紅外輻射區(qū)

實驗結果表明，該原位紅外輻照有以下優(yōu)勢：

（1）減輕結構性扭曲

結構翹曲經(jīng)常發(fā)生在較薄的幾何結構中，不可避免地容易受到擠壓打印過程固有熱應力的影響。用紅外加熱打印的PLA和PC的薄盤狀樣品（直徑100mm，厚度3mm），與正常打印的樣品相比，翹曲最小，如圖2（a）所示。在PC的打印過程中，初始層也不能附著在打印基板上，這經(jīng)常在高度糾纏的非晶態(tài)聚合物中觀察到，如PC和其他聚合物。當打印窄、長或高的結構時，在打印方向上會發(fā)生更明顯的扭曲。如圖2（b）所示，當紅外加熱的輸入功率增加到52W時，原位紅外加熱基本穩(wěn)定了這種結構畸變。

圖2 （a）有無紅外加熱的翹曲現(xiàn)象（b）不同電壓下橫縱試樣紅外加熱改善翹曲的程度

（2）提高試樣力學性能

圖3（a）比較了縱向打印PLA試樣在不同輸入功率下紅外加熱下的抗拉強度。輸入功率為37W時具有最高的抗拉強度（48.2MPa），比正常打印的試樣（40.6MPa）提高了18.7%。圖3（b）比較了橫向打印的PLA樣品的抗拉強度。抗拉強度隨著輸入功率的增加而增加，其改善的程度比縱向打印的情況更顯著。當輸入功率為37W時，抗拉強度增加到33.8MPa，比正常打印的試樣（20.3MPa）提高了67%。

圖3（a）PLA縱向不同功率下的抗拉強度 （b）PLA橫向不同功率的抗拉強度

總體而言，PC與PLA實驗具有相似的趨勢，紅外輻射試樣的抗拉強度隨著紅外輸入功率的增加而提高，然而，改善的程度并沒有PLA試樣那么大。PC在不同功率下的抗拉強度如圖（a）所示。如圖4（b）所示，在52W紅外功率下，PC試樣的最高抗拉強度比正常打印的試樣提高了24%，而PLAs在37W時，改善幅度為66.5%（圖3（b））。這兩種材料之間的差異是由于PC的高Tg，力學性能的增強是因為分子的擴散和鏈在沉積層之間界面上的再糾纏，但是當具有高Tg的聚合物熔合時，它們的相互擴散和再糾纏的時間相對較短，從而減輕了紅外輻照的增強效應。

圖4（a）PC縱向不同功率下的抗拉強度 （b）PC橫向不同功率的抗拉強度

使用基于3D打印工藝的零件表現(xiàn)出較差的層間強度，特別是在聚合物熔體沉積界面上，從而導致力學性能的各向異性惡化。此外，突變的溫度梯度導致了熱應力在打印結構中的頻繁積累，導致了翹曲甚至裂紋。為了解決這些問題，該研究設計了一個紅外加熱裝置，并驗證了提高機械強度和結構性能的可行性。此外，該系統(tǒng)使用的儀器具有靈活性，可以調(diào)節(jié)紅外輻射的功率、距離和入射角，可以擴展到其他工程材料在工業(yè)層面上對3D工藝的適用性。

參考文獻：
Lee Ji Eun,Park Seong Je,Son Yong,Park Keun,Park Suk Hee. Mechanical Reinforcement of Additive-Manufactured Constructs using In Situ Auxiliary Heating Process[J]. Additive Manufacturing,2021,43. DOI:10.1016/j.addma.2021.101995.