熱壓輔助擠出成形3D打印增強(qiáng)復(fù)合材料層間結(jié)合

供稿人：孫海晁、李滌塵 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

擠出成形增材制造技術(shù)，也稱為熔融沉積成形（FDM），其典型的工藝流程是材料的加熱熔融、擠出沉積與冷卻凝固，在整個(gè)過(guò)程中，打印樣件自下而上較大的溫度梯度變化和材料在無(wú)壓力條件下的自由沉積嚴(yán)重影響打印層與層界面之間的充分結(jié)合，造成整體打印樣件力學(xué)性能的嚴(yán)重不足，并且材料本身在打印過(guò)程中的體積收縮也嚴(yán)重阻礙著層間的有效結(jié)合，進(jìn)一步降低了打印樣件的力學(xué)性能。因此，急需提出簡(jiǎn)單易行、成本低廉的層間增強(qiáng)方法以解決擠出成形3D打印本身所帶來(lái)的力學(xué)性能較差的問(wèn)題。

這項(xiàng)工作提出了一種可行的、經(jīng)濟(jì)有效的、簡(jiǎn)單的工藝修改方法，通過(guò)在FDM 3D打印機(jī)上安裝加熱滾筒來(lái)增加層間附著力，以針對(duì)粘結(jié)形成的所有階段。通過(guò)對(duì)印刷程序進(jìn)行修改，以便在每一層沉積后，加熱的滾筒均勻地將頂層壓縮到前一層上。如圖1所示，通過(guò)加熱滾輪，機(jī)械力可以通過(guò)使沉積絲的圓形變形來(lái)增加表面接觸面積和頸部生長(zhǎng)，從而減少空洞的形成，增加絲間接觸面積。此外，滾輪提供的熱能可以使沉積絲的溫度重新提高到Tg以上，促進(jìn)聚合物鏈在絲間界面上的進(jìn)一步擴(kuò)散和糾纏。為了分析這一過(guò)程的效果，研究了不同的輥溫、壓力和速度。加熱輥安裝如圖2所示。

圖1 加熱輥對(duì)絲束間表面接觸和壓力驅(qū)動(dòng)的絲束間生長(zhǎng)的影響

圖2 安裝在Prusa MK3s FDM 3D打印機(jī)打印頭上的加熱輥組件

研究了不同條件下軋制試樣的拉伸性能，其結(jié)果如圖3所示。拉伸試驗(yàn)表明，極限拉伸強(qiáng)度最大增加38.8%，拉伸模量最大增加19.4%，拉伸應(yīng)變最大增加359.6%。從圖4可以看出，對(duì)拉伸性能影響最大的參數(shù)是溫度，而重量和速度的影響較小，但仍是積極的。結(jié)果表明，所有輥壓樣品的拉伸性能都有所提高，并且如預(yù)期的那樣對(duì)溫度和壓力有很強(qiáng)的依賴性。隨著滾輪溫度的升高，沉積絲的溫度再次升高，進(jìn)一步高于材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，這反過(guò)來(lái)導(dǎo)致更長(zhǎng)的擴(kuò)散時(shí)間和更快的絲間擴(kuò)散，并得到了更強(qiáng)的界面結(jié)合強(qiáng)度。因此，我們得出結(jié)論，通過(guò)獲得更強(qiáng)的界面結(jié)合強(qiáng)度，沉積絲材的溫度有效地重新提高了沉積聚合物的溫度，使其高于Tg。然而，溫度從80℃增加到100℃似乎沒(méi)有顯著差異，主要是由于PLA的熱導(dǎo)率較低(0.13 W/m*K)，與80℃測(cè)試的樣品相比，增加20℃不足以顯著提高沉積聚合物的溫度。因此，在120℃的溫度下軋制的樣品可以觀察到更顯著的結(jié)果�？傮w而言，120℃的溫度對(duì)拉伸性能有最大的影響，導(dǎo)致最高的極限拉伸強(qiáng)度和模量值以及最低的應(yīng)變。

圖3 拉伸性能增加百分比

圖4 拉伸性能的主要影響參數(shù)

與拉伸測(cè)試不同，由于聚合物對(duì)滾輪的粘性，彎曲測(cè)試結(jié)果不那么突出，通常會(huì)導(dǎo)致如圖5所示的負(fù)面影響。一般來(lái)說(shuō)，粘滯的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量缺陷，盡管由于單向載荷平行于層間表面，這對(duì)拉伸性能沒(méi)有強(qiáng)烈影響，但由于載荷現(xiàn)在垂直于層，這些缺陷確實(shí)對(duì)彎曲性能有更強(qiáng)的影響。彎曲分析表明，極限彎曲強(qiáng)度最大增加13.5%，彎曲模量最大增加20.76%，彎曲應(yīng)變最大增加11.9%。然而，也觀察到對(duì)彎曲模量和彎曲應(yīng)變的負(fù)面影響，由于聚合物粘滯，給定試件的彎曲模量最大降低了14.8%和6.8%。與拉伸測(cè)試一樣，溫度仍然是最具影響力的參數(shù)，更高的壓力和更快的速度導(dǎo)致更好的力學(xué)性能。

對(duì)于輥的溫度，120℃再次導(dǎo)致最好的機(jī)械性能。這與本研究的假設(shè)相一致，即較高的溫度有效地重新提高了沉積絲材溫度，并使進(jìn)一步的絲束間擴(kuò)散成為可能。此外，在80℃和100℃的滾輪溫度中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。與拉伸測(cè)試結(jié)果一樣，由于PLA的熱導(dǎo)率較低，與80℃測(cè)試的樣品相比，20℃的增加不足以顯著提高沉積聚合物的溫度，因此沒(méi)有明顯的改善。壓力的影響似乎沒(méi)有在拉伸測(cè)試結(jié)果中那么顯著，但仍然受到溫度的強(qiáng)烈影響，特別是對(duì)極限彎曲強(qiáng)度。這進(jìn)一步證實(shí)了較低的測(cè)試溫度不足以有效地重新提高沉積燈絲的溫度，從而顯著影響層間結(jié)合。然而，更高的壓力導(dǎo)致更好的機(jī)械性能在更高的溫度。最后，速度對(duì)力學(xué)性能的影響也與拉伸試驗(yàn)結(jié)果不一致。與以往不同的是，在彎曲分析中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的趨勢(shì)。從拉伸測(cè)試結(jié)果中得出的結(jié)論是，由于層之間的暫停時(shí)間更少，速度更快導(dǎo)致更好的力學(xué)性能，這一發(fā)現(xiàn)最好地證實(shí)了120◦C溫度下的UFS結(jié)果。

圖5 抗彎性能增加百分比

總體來(lái)說(shuō)，從三個(gè)測(cè)試參數(shù)(溫度、壓力和速度)來(lái)看，溫度對(duì)拉伸性能和彎曲性能的改善影響最大。120oC的高溫使機(jī)械性能得到了最大的改善，但在此溫度下，聚合物沉積在滾輪上經(jīng)常發(fā)生摩擦，因此在測(cè)試結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了許多缺陷，可能導(dǎo)致過(guò)早失效。為了克服這一問(wèn)題并使輥筒溫度更高，應(yīng)研究不同的輥筒材料以及表面光潔度。此外，壓力對(duì)輥筒溫度的影響也很大，特別是在輥筒溫度較低時(shí)�？傮w而言，正如假設(shè)的那樣，較高的壓力導(dǎo)致較高的力學(xué)性能，因?yàn)檩^大的絲間接觸面積。最后，與最初的預(yù)期相反，更快的速度會(huì)帶來(lái)更好的機(jī)械性能，因?yàn)檩^低的軋制速度會(huì)導(dǎo)致沉積聚合物的較大冷卻時(shí)間，從而導(dǎo)致有害的影響。

這項(xiàng)工作提出了一種可行的、經(jīng)濟(jì)有效的、簡(jiǎn)單的工藝修改方法，通過(guò)在FDM 3D打印機(jī)上安裝熱壓輥來(lái)增加層間附著力，以針對(duì)粘結(jié)形成的所有階段�？偟膩�(lái)說(shuō)，力學(xué)和熱力學(xué)分析表明了該方案的可行性。結(jié)果證實(shí)了機(jī)械力可以增加表面接觸面積，從而減少空洞形成和增加層間結(jié)合的假設(shè)。此外，滾輪提供的熱能可以使沉積絲的溫度重新提高到Tg以上，促進(jìn)聚合物鏈在絲間界面上的進(jìn)一步擴(kuò)散和糾纏。

參考文獻(xiàn)：
Aaa B , Sk A , Jd B , et al. Hybrid material extrusion 3D printing to strengthen interlayer adhesion through hot rolling. 2022.