供稿人：趙藝帆、曹毅 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 發(fā)布日期：2022-10-03
材料擠壓，由于其廣泛應(yīng)用于功能材料，如工程塑料、復(fù)合材料、生物相容性材料甚至可食用材料，是增材制造技術(shù)中最受歡迎和普遍應(yīng)用的工藝，但其缺點(diǎn)是層間強(qiáng)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(qiáng)化方法，在3D打印過(guò)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(yīng)用于打印路徑沉積區(qū)域在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下的打印聚合物，這將會(huì)導(dǎo)致分子擴(kuò)散和鏈在沉積界面再糾纏。此外，加熱技術(shù)不僅有助于消除由熱應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)缺陷，而且有助于提高機(jī)械強(qiáng)度，特別是在橫向和垂直方向上分層的結(jié)構(gòu)。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下所示：采用輔助加熱裝置對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行改造。對(duì)于PLA和PC的3D打印，噴嘴溫度分別設(shè)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(duì)紅外輻照裝置，裝載在一個(gè)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(zhuǎn)、傾斜并朝向或遠(yuǎn)離噴嘴照射，可以控制目標(biāo)的位置和焦距在打印路徑周?chē)M(jìn)行紅外照射，如圖1所示。通過(guò)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(shè)置在6~52W范圍內(nèi)。紅外源到工件表面的距離設(shè)置為15、20和25mm。對(duì)尺寸為90×25×2mm和15 ×4 ×40 mm的試樣進(jìn)行拉伸測(cè)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(biāo)表面的紅外輻射區(qū)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該原位紅外輻照有以下優(yōu)勢(shì)：
（1）減輕結(jié)構(gòu)性扭曲
結(jié)構(gòu)翹曲經(jīng)常發(fā)生在較薄的幾何結(jié)構(gòu)中，不可避免地容易受到擠壓打印過(guò)程固有熱應(yīng)力的影響。用紅外加熱打印的PLA和PC的薄盤(pán)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(guò)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(dāng)打印窄、長(zhǎng)或高的結(jié)構(gòu)時(shí)，在打印方向上會(huì)發(fā)生更明顯的扭曲。如圖2（b）所示，當(dāng)紅外加熱的輸入功率增加到52W時(shí)，原位紅外加熱基本穩(wěn)定了這種結(jié)構(gòu)畸變。
圖2 （a）有無(wú)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(xué)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(qiáng)度。輸入功率為37W時(shí)具有最高的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度?？估瓘?qiáng)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(dāng)輸入功率為37W時(shí)，抗拉強(qiáng)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(qiáng)度 （b）PLA橫向不同功率的抗拉強(qiáng)度
總體而言，PC與PLA實(shí)驗(yàn)具有相似的趨勢(shì)，紅外輻射試樣的抗拉強(qiáng)度隨著紅外輸入功率的增加而提高，然而，改善的程度并沒(méi)有PLA試樣那么大。PC在不同功率下的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度比正常打印的試樣提高了24%，而PLAs在37W時(shí)，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(xué)性能的增強(qiáng)是因?yàn)榉肿拥臄U(kuò)散和鏈在沉積層之間界面上的再糾纏，但是當(dāng)具有高Tg的聚合物熔合時(shí)，它們的相互擴(kuò)散和再糾纏的時(shí)間相對(duì)較短，從而減輕了紅外輻照的增強(qiáng)效應(yīng)。
圖4（a）PC縱向不同功率下的抗拉強(qiáng)度 （b）PC橫向不同功率的抗拉強(qiáng)度
使用基于3D打印工藝的零件表現(xiàn)出較差的層間強(qiáng)度，特別是在聚合物熔體沉積界面上，從而導(dǎo)致力學(xué)性能的各向異性惡化。此外，突變的溫度梯度導(dǎo)致了熱應(yīng)力在打印結(jié)構(gòu)中的頻繁積累，導(dǎo)致了翹曲甚至裂紋。為了解決這些問(wèn)題，該研究設(shè)計(jì)了一個(gè)紅外加熱裝置，并驗(yàn)證了提高機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)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(kuò)展到其他工程材料在工業(yè)層面上對(duì)3D工藝的適用性。