熔融增材制造技術(shù)打印PLA基聚合物復(fù)合材料的力學(xué)與幾何性能

供稿人:湯磊 李滌塵
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

熔融長絲制造（Fused Filament Fabrication，簡稱FFF）由于其工藝簡單、成本低廉和材料浪費(fèi)少而成為一種廣泛應(yīng)用的增材制造技術(shù)。而聚乳酸（Polylactic Acid，簡稱PLA）則是一種具有良好物理性能的生態(tài)友好型生物相容性材料，其在生物醫(yī)學(xué)、包裝和紡織等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，需求量巨大。然而，由于FFF技術(shù)制備的純聚合物產(chǎn)品缺乏足夠的強(qiáng)度與精度用于功能部件，因此大部分FFF技術(shù)制備的樣品只能用于快速原型應(yīng)用。可以通過將顆?；蚶w維作為增強(qiáng)材料添加到聚合物中制造出具有較高機(jī)械性能和改進(jìn)改進(jìn)功能的復(fù)合材料。相較于長纖維增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料，短纖維增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料雖然在打印方向上的材料力學(xué)性能稍遜一籌，但其在其他方向上具有更好的力學(xué)性能，同時(shí)也具有更高的成型精度，樣件的孔隙率也會更低。

在本文中，學(xué)者們研究了熔融長絲技術(shù)制造的短碳纖維增強(qiáng)的聚乳酸復(fù)合材料零件的力學(xué)性能和幾何性能。分別采用了純PLA絲材與短碳纖維增強(qiáng)的PLA絲材打印制造了不同的測試樣件。對兩種材料進(jìn)行了拉伸、彎曲和層間剪切強(qiáng)度進(jìn)行測試以獲得不同材料的力學(xué)性能。

圖 1 拉伸、彎曲以及層間剪切強(qiáng)度樣件形狀與尺寸

力學(xué)測試的結(jié)果顯示，與純PLA材料相比，添加碳纖維可以有效的改善復(fù)合材料的所有力學(xué)性能。特別是，碳纖維復(fù)合PLA材料的拉伸強(qiáng)度提高了47%，拉伸模量提高了179%，平均彎曲強(qiáng)度和剛度分別增加了89.75％和230.95％。此外，碳纖維復(fù)合PLA材料具有較好的層間剪切強(qiáng)度，比純PLA材料提高了133%。

圖 2 純PLA材料與碳纖維復(fù)合PLA材料的層間剪切強(qiáng)度對比

另一方面，碳纖維復(fù)合PLA材料的破壞應(yīng)變要比純PLA小，這說明碳纖維的添加會使得復(fù)合材料變的更脆。精度研究結(jié)果顯示，在PLA基質(zhì)中添加碳纖維并不會影響3D打印的樣品的尺寸精度，甚至在某些情況下（尤其是在平面以及邊緣位置）可以一定程度上改善樣件的表面粗糙度。

參考文獻(xiàn)：
Reverte, J. M., Caminero, M. á., Chacón, J. M., García-Plaza, E., Núñez, P. J., & Becar, J. P. (2020). Mechanical and Geometric Performance of PLA-Based Polymer Composites Processed by the Fused Filament Fabrication Additive Manufacturing Technique. Materials, 13(8), 1924.