使用薄殼材料的各向同性 3D 打印

供稿人：張明杰 田小永 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

韓國科學技術(shù)高等研究院機械工程系的SanhaKim等人在為了突破傳統(tǒng)材料擠出成型3D打印產(chǎn)物的各向異性的問題，特別是針對層間結(jié)合的強度，提出了薄殼打印，注芯加固的方法，簡稱殼芯打印。

該技術(shù)通過使用擠出成形工藝打印熱塑性材料構(gòu)成測試零件的外殼部分，并預留兩個小孔，在外殼打印完成后將熱固性的環(huán)氧樹脂通過小孔注入其中，在經(jīng)過一系列的固化流程后完成整個成型過程。值得注意的是，在向外殼中注入環(huán)氧樹脂之前需要外殼內(nèi)部使用丙酮進行拋光處理，目的是提升截面結(jié)合強度。

圖 1 殼芯打印成形示意圖

進過上述方法制造的標準拉伸件的各向拉伸性能的壁紙有顯著提高，達到0.7以上，但是和各向同性的要求仍有較大差別。為此該團隊通過繼續(xù)研究截面殼芯的面積比以及內(nèi)部填充的環(huán)氧樹脂材料的本身拉伸性能等因素對拉伸件性能的影響，得到了各向同性且拉伸性能比肩同等殼體材料注塑成型的零件。如下圖所示，拉伸性能較好的core B 和core C 兩種芯體材料在截面殼芯面積達到0.8以上時，都能夠得到接近1的各向性能比值，表明了該零件的各向同性。

圖 2 不同芯體材料達到各向同性時截面的殼芯面積比

除此之外，該方法因為只需打印零件的外形殼體，完成后穿插一步內(nèi)部環(huán)氧樹脂的澆筑和固化，其所用時間較零件整體通過擠出成形3D打印所使用的時間有明顯提升。

綜上，該團隊提出的殼芯打印方法能夠得到各向同性的3D打印產(chǎn)物，并且其成型速度也更為迅速，能夠充分彌補3D的打印成形速度慢，層間結(jié)合強度差的缺點。

參考文獻：
Jihyuck Son, Seounghee Yun, Kundo Park, Seunghwa Ryu, Sanha Kim, Isotropic 3D printing using material extrusion of thin shell and post-casting of reinforcement core,2022. https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102974