供稿人：魯思偉、李滌塵 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2025-03-16
聚合物材料擠出（ME）增材制造技術(shù)，因其材料利用率高、運(yùn)行成本低以及支持汽車(chē)、航空航天和醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域的多種材料而得到廣泛應(yīng)用。然而，薄弱的層間強(qiáng)度仍然是材料擠出 3D 打印零件應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵限制。為此，南京航空航天大學(xué)的占小紅教授等人提出了一種非接觸式電磁感應(yīng)后處理方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。該方法旨在通過(guò)引入Fe3O4 顆粒，在交變磁場(chǎng)下誘導(dǎo)發(fā)熱，從而增強(qiáng) 3D打印PA12樣品的薄弱層間強(qiáng)度。對(duì)經(jīng)過(guò)感應(yīng)后處理的3D打印樣品的發(fā)熱特性、表面形貌、結(jié)晶行為和層間性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
圖 1說(shuō)明了通過(guò)感應(yīng)后處理增強(qiáng)3D打印樣品的界面強(qiáng)度所涉及的步驟。該過(guò)程包括三個(gè)主要步驟。步驟1（圖1（a））中Fe3O4顆粒通過(guò)行星式球磨機(jī)充分混合兩小時(shí)。使用單螺桿擠出機(jī)將混合顆粒用于生產(chǎn)混合長(zhǎng)絲（改性PA12長(zhǎng)絲、MPA12、Fe3O4。隨后，在步驟2（圖1(b))中，使用混合長(zhǎng)絲進(jìn)行3D打印MPA12 和連續(xù)碳纖維增強(qiáng) MPA12 （CFRMPA12）。在步驟3（圖1（c））中，采用電磁感應(yīng)后處理方法來(lái)誘導(dǎo)Fe3O4發(fā)熱，誘導(dǎo)產(chǎn)生的熱量促進(jìn)樹(shù)脂在界面處的纏結(jié)和擴(kuò)散，最終增強(qiáng)界面強(qiáng)度。
圖1 感應(yīng)后處理 3D 打印樣品的工藝流程。(a)通過(guò)單螺桿擠出機(jī)制備MPA12復(fù)合長(zhǎng)絲；(b) 打印MPA12部件和打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)MPA12部件（共擠出法）；(c) 感應(yīng)加熱通過(guò)促進(jìn)界面樹(shù)脂擴(kuò)散來(lái)增強(qiáng)打印樣品的界面強(qiáng)度。
圖2顯示了該研究中感應(yīng)后處理的兩種主要類(lèi)型：靜態(tài)和連續(xù)。靜態(tài)感應(yīng)后處理利用固定感應(yīng)線(xiàn)圈（圖2（a））。相反，連續(xù)感應(yīng)后處理采用移動(dòng)感應(yīng)線(xiàn)圈（圖 2（c）），主要用于較大的樣品，例如拉伸和撕裂測(cè)試中使用的樣品。在連續(xù)感應(yīng)后處理中，線(xiàn)圈在縱向掃描樣品時(shí)保持恒定速度。到達(dá)樣品的一端后，線(xiàn)圈將沿其原始路徑返回到起始位置，重復(fù)此過(guò)程。感應(yīng)線(xiàn)圈對(duì)樣品長(zhǎng)度的每次完整掃描構(gòu)成一個(gè)掃描周期。圖 2（b）說(shuō)明了耦合距離（d），其定義為樣品底部與感應(yīng)線(xiàn)圈頂部之間的間隙。靜態(tài)感應(yīng)后處理的關(guān)鍵參數(shù)包括Fe3O4顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w t）、感應(yīng)功率（p）和耦合距離。在連續(xù)感應(yīng)后處理中，感應(yīng)功率、掃描速度（v）和掃描次數(shù)（n）是至關(guān)重要的參數(shù)。
圖2 (a) 靜態(tài)感應(yīng)處理打印樣品示意圖；(b)靜態(tài)感應(yīng)加工中的感應(yīng)距離；(c) 連續(xù)感應(yīng)后處理示意圖，線(xiàn)圈（顏色不同）隨時(shí)間沿拉力方向移動(dòng)；(d) 連續(xù)感應(yīng)加工的感應(yīng)距離； (e) 掃描路徑圖。
圖3顯示了感應(yīng)后處理對(duì)打印樣品層間強(qiáng)度（Z方向拉伸強(qiáng)度）的影響。經(jīng)過(guò)感應(yīng)后處理的3D打印MPA12樣品（藍(lán)色和紅色柱）比未處理的3D打印 PA12 樣品（淺灰色柱）表現(xiàn)出明顯更高的拉伸強(qiáng)度。在1 mm/s的掃描速度下，樣品的拉伸強(qiáng)度比3D打印的PA12樣品提高了119%。在掃描速度為2 mm/s 時(shí)，這一改進(jìn)達(dá)到 218.3%。與未處理的PA12樣品相比，掃描速度為2 mm/s 的感應(yīng)后處理 MPA12 樣品的韌性提高了245.2%，斷裂應(yīng)變略微提高至9.8%。此外，通過(guò)感應(yīng)后處理參數(shù)的優(yōu)化和增強(qiáng)顆粒-基體結(jié)合可以進(jìn)一步優(yōu)化打印樣品的加熱和冷卻特性。這種優(yōu)化有望改善層間擴(kuò)散并調(diào)節(jié)樹(shù)脂結(jié)晶度，從而有可能進(jìn)一步增強(qiáng)打印的PA12樣品的層間強(qiáng)度。
圖3 感應(yīng)后處理對(duì)打印樣品層間強(qiáng)度（Z方向拉伸強(qiáng)度）的影響：(a) 制造方向示意圖；(b) 不同樣品的圖示：PA12、MPA12（含F(xiàn)e3O4）、后處理MPA12（參數(shù)：顆粒含量15 %、感應(yīng)功率13.5 kW、感應(yīng)距離1 mm、掃描速度1mm/s或2 mm/s）；(c) 代表性應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)；(d-f) 后處理對(duì)打印樣品的拉伸強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變和韌性的影響。
感應(yīng)后處理方法以非接觸方式有效增強(qiáng)了3D打印樣品的層間強(qiáng)度，并可能通過(guò)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)一步增強(qiáng)。3D打印過(guò)程涉及樹(shù)脂流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶和樹(shù)脂流動(dòng)誘導(dǎo)聚合物鏈取向，兩者都會(huì)阻礙層間樹(shù)脂界面擴(kuò)散。感應(yīng)后處理有效避免了這些問(wèn)題，能夠在短時(shí)間內(nèi)（50s）強(qiáng)化層間界面。
該方法也為傳統(tǒng)烤箱內(nèi)熱處理不可行的戶(hù)外環(huán)境中的大型3D打印樣品提供了優(yōu)勢(shì)。此外，加入鐵磁材料可以增強(qiáng)3D打印樣品的電磁屏蔽能力。該方法還能夠以非接觸方式對(duì)熱塑性復(fù)合材料的特定局部區(qū)域進(jìn)行精確加熱，使其適用于連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的無(wú)模具成型、復(fù)雜表面焊接和修復(fù)（特別是在狹窄和難以接近的區(qū)域）。