注塑短桿法篩選FDM工藝打印材料

供稿人:單存清-王玲

FDM工藝的典型材料是常見的熱塑性聚合物，比如聚乳酸（polylactic acid，PLA）、丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物（acrylonitrile-butadiene-styrene，ABS）、聚醚酰亞胺（polyetherimide，PEI），這些是針對業(yè)余愛好和通用市場以及高性能工程部件的最具代表性的示例。然而，對于功能應用，與常規(guī)的擠出和注塑成型部件相比，由逐層制造引起的各向異性機械性能是FDM成型部件的典型缺點和限制。

目前流行的FDM工藝材料大都是非晶態(tài)聚合物，只有極少部分具有較低結晶度的半結晶性聚合物（如PLA、尼龍）被用于制作FDM工藝絲材。因此，需要來發(fā)更多可作為FDM技術的半結晶性塑料。

圖1. 翹曲變形測量（左）力學測試樣件截?。ㄓ遥?/div>聚丙烯（polypropylene，PP）是最常見的用于消費品和技術產品中的半結晶熱塑性聚合物材料。它具有卓越的機械性能，出色的加工性能，高耐化學性，低密度。 此外，PP還易于改性以滿足各種應用，比如通過與乙烯共聚，以及通過與添加劑和填料配混來進行。 聚丙烯 - 乙烯無規(guī)共聚物（Polypropylene-ethylene random copolymers，raco PP）在薄膜和剛性填料等應用中起著重要作用。由于乙烯單元的加入，共聚物具有較低結晶度，使raco PP具有良好的透明度和柔軟性，并且具有較好沖擊強度，也使其有希望用于FDM加工。

圖2. 材料的翹曲變形與結晶度

因為PP等半結晶聚合物在冷卻時表現出高體積收縮，導致打印出現較明顯的翹曲變形，只有少數研究集中在使用PP作為FDM打印原材料。但是，相比出現可接受的翹曲，打印件具有更好的機械性能更加重要。目前為了開發(fā)FDM原料，一般使用標準的單螺桿長絲擠出對純聚合物進行配混和加工，使用這種方式需要相當長的時間和至少1千克的材料用于擠出工藝優(yōu)化，以實現令人滿意的長絲質量，用于進一步的FDM成型。直到目前還沒有建立起針對半結晶聚合物以及共聚材料進行有效的FDM打印材料并且對打印性能（如翹曲程度，結合強度）進行評估的篩選方法。

德國拜羅伊特大學的研究者開發(fā)了一種加工方法用于FDM材料的篩選，它只需要少量的聚合物，再通過打印薄壁幾何結構對材料的打印性能進行評估。研究者先將少量（8.5g）原材料在錐形混合器中混合均勻，然后注塑成型6支直徑3mm長度14cm的短桿，再使用改造過的FDM打印機以準備好的短桿為耗材打印方形單壁試樣測試打印件翹曲程度以及結合強度（圖1）。機械性能的測試方法是從方形單壁試樣的壁上截取力學測試樣件，分別沿打印方向0°和90°截取，對應打印方向強度和層間結合強度。方形單壁樣件為每層只有一條路徑，這樣是為了排除線間打印的孔隙對層間結合強度測試結果的影響。

圖3. PP材料拉伸應力應變曲線

研究者采用以上方法將三種不同的PP注塑原材料與兩種現有的FDM PP連續(xù)長絲耗材，以及一種ABS連續(xù)長絲耗材的打印性能進行對比，如圖2、3所示試驗結果顯示：1）材料結晶度越高，打印件的翹曲變形程度越高；2）0°試樣相較于90°試樣具有更高的拉伸強度和斷后延伸率；3）相比其他兩種PP材料，材料raco PP 2具有更好的打印性能。

參考文獻：
Jin, M., Giesa, R., Neuber, C., & Schmidt, H.-W. (2018). Filament Materials Screening for FDM 3D Printing by Means of Injection-Molded Short Rods. Macromolecular Materials and Engineering, 303(12). doi:10.1002/mame.201800507.

供稿人:單存清-王玲 供稿單位：機械制造系統工程國家重點實驗室