崔峰波，張萍，冉文華，沈林峰，崔麗榮

(巨石集團(tuán)有限公司，浙江桐鄉(xiāng) 314500)

3D打印技術(shù)亦稱為增材制造技術(shù)，在產(chǎn)品開發(fā)的原型設(shè)計(jì)領(lǐng)域被歸類為高效、快速和實(shí)用的一種技術(shù)，其無需復(fù)雜的擠出-注塑設(shè)備，只需要一臺3D打印機(jī)即可實(shí)現(xiàn)材料到零件的成型。3D打印技術(shù)簡化復(fù)雜程序、縮短成型周期、節(jié)約材料，引起人們的廣泛關(guān)注。近幾年，3D打印技術(shù)已在航天、電器、醫(yī)療、機(jī)械及其他領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1-5]。3D打印技術(shù)的基本原理是以三維設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，借助計(jì)算機(jī)軟件和數(shù)控系統(tǒng)對特殊功能材料進(jìn)行層層疊加，進(jìn)而成型零件[6]。3D打印工藝分為很多種，每種都有固定的打印機(jī)類型，其中熔融沉積成型(FDM)應(yīng)用比較廣泛，而且最容易獲取打印零件。FDM 3D打印技術(shù)根據(jù)軟件預(yù)設(shè)的坐標(biāo)擠出熱塑性塑料線材，從下至上逐層累積構(gòu)造零件。FDM成型設(shè)備采用成卷的線材作為材料，執(zhí)行工作時(shí)將線材供給擠出噴嘴，噴嘴加熱融化，并在打印軟件的控制以及電機(jī)驅(qū)動下，沿著設(shè)定的打印路徑打印[7]，熱塑性材料從噴嘴中擠出成層，并迅速冷卻硬化，打印結(jié)束，取下打印樣品即可。

然而，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是所使用的材料范圍有限。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)和聚乳酸(PLA)是目前3D打印領(lǐng)域中最常用的熱塑性材料，因?yàn)樗鼈兙哂腥廴诤驮偌庸さ哪芰8]。PLA是一種可生物降解的聚合物，與傳統(tǒng)的石油基塑料ABS相比，這種聚合物的廣泛使用將減少對石化產(chǎn)品的需求，并且還可減少不可生物降解聚合物廢料的產(chǎn)生。雖然PLA為聚合物3D打印提供了環(huán)保解決方案，但其力學(xué)性能受到PLA固有特性(如吸濕性)的限制[9]，導(dǎo)致整體制件的力學(xué)性能較低，耐老化性能比較差，限制了其在各行各業(yè)的應(yīng)用。目前纖維增強(qiáng)塑料的3D打印研究逐漸成為熱點(diǎn)，其中玻璃纖維與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印研究比較常見[10-13]，許多公司也推出了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印產(chǎn)品，如巴斯夫與中科新松有限公司聯(lián)合開發(fā)的由3D打印聚酰胺制造的工業(yè)用協(xié)作機(jī)器人[14]，歐文斯科寧研發(fā)的玻纖增強(qiáng)3D打印線材[15]。

筆者以玻纖增強(qiáng)PLA復(fù)合材料為例，通過雙螺桿共混及單螺桿擠出方法制備3D打印線材，并通過FDM制備了3D打印制件，研究了3D打印工藝對復(fù)合材料制件力學(xué)性能及形貌的影響，并探究了玻纖含量及玻纖保留長度對復(fù)合材料制件力學(xué)性能及形貌的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

PLA：REVODE195，浙江海正生物股份有限公司；

馬來酸酐接枝聚烯烴彈性體(POE-MAH)：FP8600，浙江杭州中聚化工科技有限公司；

短切玻纖：ECS10-03-508 A，中國巨石股份有限公司；

磨碎玻纖：ECS13-125，中國巨石股份有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)：Berstorff型，德國貝爾斯托夫公司；

單螺桿擠出機(jī)：SJ-45型，浙江臺州路橋偉業(yè)生物科技有限公司；

注塑機(jī)：S-2000i型，日本發(fā)那科有限公司；

3D打印機(jī)：Knight2型，上海墨師智能科技有限公司；

干燥箱：DHG-9440Q型，上海翌鳴科貿(mào)有限公司；

萬能試驗(yàn)機(jī)：Instron1185型，美國Instron公司。

1.3 線材制備

將玻纖、PLA、相容劑FP8600按照30∶70∶2的質(zhì)量比混合均勻后，置于雙螺桿擠出機(jī)中，擠出機(jī)溫度為50，180，180，190，190，195，195，195，190 ℃，轉(zhuǎn)速200 r/min。將擠出的塑料粒子在60 ℃下干燥5 h后，置于單螺桿擠出機(jī)中制備線材，單螺桿擠出溫度為50，160，170，180，190，190，190 ℃，按照(1.75±0.05) mm的線徑規(guī)格收卷擠出后的線材用于3D打印。

1.4 3D打印

將制備好的線材送入到3D打印機(jī)內(nèi)，設(shè)定打印路線、打印溫度及打印速度。打印時(shí)，線材中的PLA基體在加熱塊的熱源作用下受熱熔融，并與玻纖一起以相同的擠出速率沉積在打印臺上。沉積過程中噴嘴對擠出物產(chǎn)生擠壓作用，并逐層疊加，通過調(diào)整3D打印的工藝參數(shù)，制備不同工藝條件下的3D打印玻纖增強(qiáng)PLA復(fù)合材料制件。

1.5 測試與表征

拉伸性能按照ISO 527-1-2019測試，彎曲性能按照ISO 178-2019標(biāo)準(zhǔn)測試，拉伸和彎曲速率均為10 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 打印工藝參數(shù)選擇

(1)打印路徑的影響。

打印路徑是指噴嘴移動的路徑，在3D打印過程中控制噴嘴在平臺上的移動路徑，可控制熔體黏結(jié)在平臺上時(shí)的方向。通過設(shè)置軟件參數(shù)可規(guī)定逐層打印的路徑，即噴嘴擠出熔體的方向[16-17]，另外，3D打印路徑對打印制件力學(xué)性能及玻纖取向有一定的影響。圖1列出3種不同的3D打印路徑，分別為0°方向路徑、±45°方向路徑及90°方向路徑，圖1中線條為噴嘴處熔體擠出后在平臺上黏結(jié)方向的示意圖，線條之間的空白區(qū)域雖然未畫出熔體，但熔體實(shí)際存在。針對這3種路徑，研究其對復(fù)合材料制件力學(xué)性能的影響，選擇合適的3D打印路徑。

圖1 3種不同的3D打印路徑示意圖

按照上述設(shè)定的3種3D打印路徑示意圖，以30%磨碎玻纖(將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為玻纖與PLA總質(zhì)量30%的磨碎玻纖定義為30%磨碎玻纖)增強(qiáng)PLA復(fù)合線材為例，固定打印溫度及打印速度，將線材按照上述3種路徑執(zhí)行打印，并對打印制件進(jìn)行力學(xué)性能測試，測試結(jié)果如圖2所示。從圖2可以得知，打印路徑對制件的拉伸性能與彎曲性能影響比較大：當(dāng)3D打印路徑為90°方向時(shí)，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別為32.38 MPa和62.12 MPa；當(dāng)3D打印路徑為±45°方向時(shí)，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別為39.79 MPa和70.98 MPa，當(dāng)3D打印路徑為0°方向時(shí)，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別為41.17 MPa和78.50 MPa，相比90°方向提高了27.1%和26.4%，主要是由于路徑為0°方向時(shí)，制件結(jié)合緊密，基本無間隙，而且打印方向決定了玻纖的方向，一定程度上提高了材料的力學(xué)性能。

圖2 不同打印路徑下復(fù)合材料制件的拉伸及彎曲性能

(2)打印溫度的影響。

由于在3D打印過程中，熱塑性樹脂的加熱熔融溫度有上下限，在這種情況下，材料的熱性能需要滿足較高的要求。打印溫度是指在打印時(shí)設(shè)定的噴嘴溫度，通過調(diào)節(jié)打印溫度可以防止打印過程中出現(xiàn)材料未塑化堵塞噴頭或熔體流動性過大易漏料的現(xiàn)象，從而調(diào)整打印效果。表1列出固定其他參數(shù)，打印溫度變化對打印效果的影響。從表1可以看出，打印溫度為220 ℃時(shí)的打印效果最好。

表1 不同打印溫度下的打印效果

(3)打印速度的影響。

在3D打印過程中，需從3D打印噴嘴中以一定速度擠出線材熔體黏結(jié)在3D打印桌面上，并快速冷卻。3D打印速度是指噴嘴在驅(qū)動帶的作用下沿著三維坐標(biāo)軸移動的速度。3D打印速度太低或太高均使制件存在缺陷，影響制件質(zhì)量。表2是打印速度對打印效果的影響。根據(jù)表2列出的打印過程中出現(xiàn)的問題及打印效果，適合玻纖增強(qiáng)PLA復(fù)合材料線材的打印速度為60 mm/s。

表2 不同打印速度下的打印效果

2.2 玻纖含量和玻纖保留長度的選擇

(1)玻纖含量的影響。

在玻纖增強(qiáng)PLA線材制備過程中，玻纖含量對制件性能也會有較大的影響，太少的玻纖含量在提升制件性能方面的效果不明顯，過多的玻纖含量又會給3D打印帶來難題，擠出物熔融流動性變差，因此研究玻纖含量對制件性能的影響具有重要的意義。圖3給出了不同磨碎玻纖含量時(shí)復(fù)合材料的拉伸與彎曲強(qiáng)度及模量變化曲線。

圖3 不同磨碎玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)下打印制件的力學(xué)性能

由圖3曲線的變化趨勢可以看出，通過FDM方法制備的復(fù)合材料制件，隨著玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%增加到30%，其拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量先升高后降低，彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量的變化趨勢與拉伸性能的變化趨勢基本一致。當(dāng)玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，制備的復(fù)合材料制件的拉伸強(qiáng)度及拉伸彈性模量分別是59.84 MPa和5.61 GPa，其彎曲強(qiáng)度及彎曲彈性模量分別是90.99 MPa和5.58 GPa，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料相比，其拉伸強(qiáng)度及拉伸彈性模量分別提高12%及30%，而彎曲強(qiáng)度基本不變。而當(dāng)玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，3D打印時(shí)大量玻纖聚集堵塞噴嘴，導(dǎo)致噴嘴擠出不順暢，制件表面粗糙，同時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。因此，玻纖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，材料的拉伸及彎曲性能達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。

(2)玻纖保留長度的影響。

表3給出了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%及20%的短切玻纖及磨碎玻纖增強(qiáng)PLA打印復(fù)合材料制件的玻纖保留長度、拉伸性能及彎曲性能和打印情況。

表3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%及20%短切玻纖和磨碎玻纖增強(qiáng)PLA復(fù)合材料打印制件的力學(xué)性能、玻纖保留長度及打印情況

表3中玻纖含量越高，玻纖的保留長度越低，主要是因?yàn)樵陔p螺桿擠出過程中玻纖所占的質(zhì)量和體積變大時(shí)，會削弱樹脂基體在機(jī)筒中所占的比例，增加了螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)對玻纖長度破壞的強(qiáng)度，使玻纖的保留長度變短。另外，從表3也可以得知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%短切玻纖增強(qiáng)PLA打印制件的力學(xué)性能比磨碎玻纖增強(qiáng)PLA的力學(xué)性能高，這主要是因?yàn)槎糖胁＠w增強(qiáng)的復(fù)合材料中玻纖的保留長度比較大，對提高材料的拉伸及彎曲性能有一定的幫助，但是玻纖的保留長度太長，給線材擠出及打印造成一定的困難，玻纖的纏繞抱團(tuán)，在線材擠出的過程中會導(dǎo)致耗材的線徑不穩(wěn)，線材韌性不均，打印時(shí)進(jìn)料不順暢，抱團(tuán)的玻纖容易堵塞噴嘴，終止打印程序。

3 結(jié)論

主要從兩方面考慮提高玻纖增強(qiáng)PLA復(fù)合材料的打印效果及力學(xué)性能：①從3D打印工藝為出發(fā)點(diǎn)，找出影響打印效果及力學(xué)性能的主要因素，包括打印路徑、打印速度、打印溫度，選擇最優(yōu)的3D打印工藝參數(shù)；②從增強(qiáng)材料玻纖本身出發(fā)，研究玻纖含量、玻纖保留長度對打印制件力學(xué)性能及打印效果的影響。所得結(jié)論如下。

(1)3D打印工藝方面。玻纖增強(qiáng)PLA材料的拉伸性能及彎曲性能隨著打印路徑變化而發(fā)生大的變化，對于30%玻纖增強(qiáng)PLA復(fù)合材料，當(dāng)打印路徑為0°方向時(shí)，制件拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別為41.17 MPa和78.50 MPa，相比90°方向上提高了27.1%和26.4%，因此打印路徑選擇0°方向路徑；3D打印溫度從200 ℃到230 ℃變化時(shí)，復(fù)合材料在220 ℃的打印效果最好；另外，根據(jù)打印過程中出現(xiàn)毛邊、堵塞情況，以及打印是否順暢，選擇合適的打印速度為60 mm/s。

(2)玻纖方面。當(dāng)玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，打印制件的拉伸及彎曲性能達(dá)到最佳狀態(tài)，拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度分別為68.42 MPa和93.29 MPa，打印順暢；玻纖的保留長度長，制件的力學(xué)性能好，但是玻纖長度太長，會堵塞噴嘴，打印不順暢，選擇不同的玻纖含量及保留長度對制件性能有很大影響。