供稿人:趙珅，連芩 發(fā)布日期：2017-09-13
三維印刷塑料件在工程應(yīng)用中面臨的一個(gè)關(guān)鍵障礙是連續(xù)的長(zhǎng)絲痕跡之間的薄弱焊接，這往往導(dǎo)致脫層和機(jī)械故障，是使用熱塑性增材制造的主要障礙。對(duì)于典型的三維印刷零件，擠出長(zhǎng)絲痕跡的拉伸性能類似于注塑樣品在打印（X）的方向（圖1a）。然而，長(zhǎng)絲跡線與y和z方向成直角，使得這些方向的拉伸性能受到長(zhǎng)絲的界面結(jié)合強(qiáng)度的限制。
圖1 打印零件在不同方向上的拉伸性能
因此，雖然增材制造具有功能性多和速度快的優(yōu)點(diǎn)，但3D打印零件的機(jī)械性能目前仍落后于傳統(tǒng)制造的零件。這種限制的原因是因?yàn)榫酆衔锏慕缑鏀U(kuò)散和纖維鍵合只發(fā)生在超過臨界燒結(jié)溫度以上的聚合物上。由于在這些高溫下的時(shí)間有限，傳統(tǒng)方法只能產(chǎn)生長(zhǎng)絲間不完全的連接線和連接點(diǎn)。以前的努力的方向是增加加熱時(shí)間來確保長(zhǎng)絲間緊密的連接，但隨之而來的問題是破壞了使用加熱的空氣噴嘴的形態(tài)，特別是在小樣本中尤為明顯。這將創(chuàng)建一個(gè)關(guān)鍵處理的權(quán)衡，在均勻加熱不產(chǎn)生扭曲結(jié)構(gòu)的同時(shí)，保證其良好的焊接加熱效果。這一加工困難引出了一個(gè)更根本的科學(xué)問題，即長(zhǎng)絲如何在沒有大體積加熱和結(jié)構(gòu)變形的情況下熱粘合。
解決這個(gè)問題的方法是將熱能聚集在尺度比融絲微量尺寸小得多的聚合物的界面，類似于傳統(tǒng)的宏觀金屬焊接。故而可以想到通過在長(zhǎng)絲間彌補(bǔ)添加劑的方法達(dá)到目的。也就是說，可以用碳納米管的微波加熱在熱塑性界面之間實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固的焊接。
這種技術(shù)被稱為本地誘導(dǎo)的RF（LIRF）焊接，是利用多壁碳納米管的局部加熱性能使材料強(qiáng)度增加的添加劑制造技術(shù)（專利申請(qǐng)中）。在熱塑性長(zhǎng)絲外包覆碳納米管的聚合物膜（圖2A），這種特別的細(xì)絲如果用宏觀結(jié)構(gòu)的3D打印，僅局限在多壁碳納米管之間的界面追蹤。在暴露于微波輻射（圖2b），這些碳納米管選擇性發(fā)熱，從而促進(jìn)該處聚合物的流動(dòng)。LIRF技術(shù)解決了上述問題，通過創(chuàng)建負(fù)載納米界面反應(yīng)來微波加熱元件。
圖2 熱塑性長(zhǎng)絲外包覆碳納米管的聚合物膜
圖3 碳納米管負(fù)載聚乳酸薄膜的介電性能和微波加熱響應(yīng)
這項(xiàng)技術(shù)依賴于涂層的精密成分和微波響應(yīng)性。必須保證涂層中的特定的碳納米管含量和涂層的相對(duì)厚度的選擇允許微波加熱甚至在印刷過程中可降低涂層厚度。因此研究碳納米管負(fù)載聚乳酸薄膜的介電性能和微波加熱響應(yīng)。圖3（a）觀察到這些納米管網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典滲流行為。（b）滲流與耗散功率顯著增加有關(guān)，但在高負(fù)荷下，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變成反射。（c）利用原位紅外成像捕捉納米填充薄膜的（d）加熱響應(yīng)，觀察到相同的兩個(gè)相變。這一趨勢(shì)與圖3（E）所顯示的射頻加熱和傳熱COMSOL有限元模擬結(jié)果一致。
研究者觀察到的電滲流和薄膜的加熱響應(yīng)之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，加熱速率高于滲濾閾值（12）。這意味著有一個(gè)最小的多壁碳納米管負(fù)載膜實(shí)現(xiàn)了快速加熱反應(yīng)。相反，加熱反應(yīng)后減?。▓D3c）和更高的多壁碳納米管負(fù)載變得不均勻。這一令人驚訝的結(jié)果是因?yàn)樵谳^高的負(fù)荷下，薄膜變得更具反射性，因而對(duì)入射微波吸收較少（圖3b）。在有限的載荷范圍內(nèi)，電磁場(chǎng)和復(fù)合材料之間有很強(qiáng)的耦合，這是最大化加熱速率和均勻性的必要條件。
為了確定在3D打印接口LIRF焊接過程的強(qiáng)化作用，進(jìn)行了III型抗撕裂強(qiáng)度（“褲形撕裂”）塑料薄片試驗(yàn)（ASTM d1938），測(cè)試衡量3D打印接口的斷裂強(qiáng)度。圖4顯示被撕裂的試樣上，斷裂沿著一條Z向焊縫傳播。LIRF熱壓薄膜顯示出明顯的頸縮和開裂（significant necking and crazing），而一般的3D打印膜是脆性破裂。
圖4 光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）的斷裂表面
很明顯，在撕裂過程中，大塊的熱壓聚乳酸樣品發(fā)生了明顯的塑性變形。在一般的3D打印膜上塑性變形和開裂是不存在的；相反，能看到一個(gè)干凈、光滑的斷裂表面。純PLA印刷樣品中輕微的表面裂紋在大倍率下可見；然而，任何肉眼可見的大塑性變形不足確定脆性斷裂。與之形成鮮明對(duì)比的是LIRF焊接的樣品斷裂面表現(xiàn)出具有體積塑性變形沿撕裂路徑。LIRF斷口焊接試樣的相似體熱壓PLA薄膜。這一證據(jù)顯示LIRF樣品的強(qiáng)度和延展性都得到了恢復(fù)，LIRF焊接過程是加強(qiáng)3D打印部件的接口的有效的技術(shù)。
圖5 斷裂強(qiáng)度增加超過基線的三維打印部件275%。