一種通過材料擠出方法制備可設(shè)計(jì)聚乳酸/熱塑性聚氨酯復(fù)合絲材和結(jié)構(gòu)的新方法

來源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打?。┓謺?huì)
供稿人：張倍寧、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

多材料3D打印能夠制造出具有特定機(jī)械性能的復(fù)雜零件，擴(kuò)展了材料擠出增材制造方法的潛力。實(shí)現(xiàn)多材料打印的一種有前途的方法是制造復(fù)合絲材，將多種材料集成到一個(gè)可以進(jìn)一步在單個(gè)擠出機(jī)上加工的絲材中。然而，制造這種復(fù)合絲材通常需要專用設(shè)備，這反過來限制了其在多材料打印中的應(yīng)用并增加了成本。該研究提出了一種新穎且經(jīng)濟(jì)有效的方法，用于制造具有增強(qiáng)機(jī)械性能的復(fù)合結(jié)構(gòu)。并通過顯微鏡分析、納米壓痕和拉伸試驗(yàn)，全面評(píng)估了多種工藝參數(shù)和幾何設(shè)計(jì)策略對(duì)打印材料的影響。具有最佳機(jī)械性能的設(shè)計(jì)中，PLA芯的體積分?jǐn)?shù)為36%，這使得其比純TPU的韌性提高了63%，比純PLA提高了27倍。總的來說，這種方法為快速原型設(shè)計(jì)和測(cè)試各種材料配置提供了一種新的方法。

(a)使用商用PLA、TPU制作復(fù)合長(zhǎng)絲(b)使用相同的3D打印機(jī)將制作好的復(fù)合長(zhǎng)絲重新擠壓成單層板

圖1 制作方法示意圖

該團(tuán)隊(duì)提出的打印方法如圖1所示。在此方法中，使用商用3D打印機(jī)將PLA和TPU制成芯殼復(fù)合絲材。制造的芯殼絲材進(jìn)一步用作再擠出過程的原料，以制造復(fù)合樣品，并通過拉伸測(cè)試觀測(cè)斷裂過程，對(duì)機(jī)械性能進(jìn)行評(píng)估。

(a)復(fù)合材料試件的加載過程(b)變形過程中各時(shí)刻的圖片(c)試件三個(gè)變形階段的特征應(yīng)變-應(yīng)力曲線

圖2 復(fù)合材料試件的變形演化及力學(xué)曲線參數(shù)

圖2展示了試件的變形演化過程及力學(xué)曲線。圖2（c）表明試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出一定的偽延性，與韌性純TPU和脆性純PLA材料明顯不同。試樣的變形并非完全由塑性變形引起，同時(shí)包括局部PLA芯斷裂、PLA芯局部塑性變形和TPU殼在彈性變形。該研究將變形過程分為三個(gè)主要階段:1)初始線性階段，2)局部破壞階段，以及3)破裂階段。

(a)不同長(zhǎng)絲制作參數(shù)下的平均峰值強(qiáng)度比較(b)不同長(zhǎng)絲制作參數(shù)下的韌性比較

(c)不同再擠出參數(shù)下的平均峰值強(qiáng)度比較(d)不同再擠出參數(shù)下的韌性比較

圖3 工藝參數(shù)對(duì)強(qiáng)度與韌性的影響

在相同的復(fù)合比例(d/ D = 0.6)，不同的工藝參數(shù)下，試件的機(jī)械性能如圖3所示。平均峰值強(qiáng)度隨著長(zhǎng)絲加工速度的提高而提高。而隨著再擠出溫度的升高，平均峰值強(qiáng)度和韌性略有提高。

該研究提出了一種新的制備高質(zhì)量復(fù)合絲材的方法，并進(jìn)一步利用同一臺(tái)3D打印機(jī)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行再擠出。該研究通過實(shí)驗(yàn)探究了打印參數(shù)和設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)合試樣的失效形態(tài)和機(jī)械性能的影響。與純材料相比，復(fù)合材料試樣在PLA芯部局部失效時(shí)，通過將應(yīng)力重新分配到TPU外殼上，從而受益。結(jié)果顯示，性能最佳的試樣韌性比純TPU高出63%，比純PLA高出27倍。這種由于應(yīng)力重新分配而導(dǎo)致的復(fù)合材料韌性提高在堅(jiān)固的多材料界面結(jié)合區(qū)域更加明顯。

該研究團(tuán)隊(duì)未來在該領(lǐng)域?qū)⑴μ剿鬟@種制造方法的應(yīng)用，通過不同的印刷工具路徑和材料組合來策略性地操縱印刷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。

參考文獻(xiàn)：
A. Cao, D. Wan, C. Gao, C.W. Elverum, A novel method of fabricating designable polylactic acid (pla)/thermoplastic polyurethane (tpu) composite filaments and structures by material extrusion additive manufacturing, J. Manuf. Process. 118 (2024) 432-447.