熱壓輔助擠出成形3D打印增強復合材料層間結合

供稿人：孫海晁、李滌塵 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

擠出成形增材制造技術，也稱為熔融沉積成形（FDM），其典型的工藝流程是材料的加熱熔融、擠出沉積與冷卻凝固，在整個過程中，打印樣件自下而上較大的溫度梯度變化和材料在無壓力條件下的自由沉積嚴重影響打印層與層界面之間的充分結合，造成整體打印樣件力學性能的嚴重不足，并且材料本身在打印過程中的體積收縮也嚴重阻礙著層間的有效結合，進一步降低了打印樣件的力學性能。因此，急需提出簡單易行、成本低廉的層間增強方法以解決擠出成形3D打印本身所帶來的力學性能較差的問題。

這項工作提出了一種可行的、經濟有效的、簡單的工藝修改方法，通過在FDM 3D打印機上安裝加熱滾筒來增加層間附著力，以針對粘結形成的所有階段。通過對印刷程序進行修改，以便在每一層沉積后，加熱的滾筒均勻地將頂層壓縮到前一層上。如圖1所示，通過加熱滾輪，機械力可以通過使沉積絲的圓形變形來增加表面接觸面積和頸部生長，從而減少空洞的形成，增加絲間接觸面積。此外，滾輪提供的熱能可以使沉積絲的溫度重新提高到Tg以上，促進聚合物鏈在絲間界面上的進一步擴散和糾纏。為了分析這一過程的效果，研究了不同的輥溫、壓力和速度。加熱輥安裝如圖2所示。

圖1 加熱輥對絲束間表面接觸和壓力驅動的絲束間生長的影響

圖2 安裝在Prusa MK3s FDM 3D打印機打印頭上的加熱輥組件

研究了不同條件下軋制試樣的拉伸性能，其結果如圖3所示。拉伸試驗表明，極限拉伸強度最大增加38.8%，拉伸模量最大增加19.4%，拉伸應變最大增加359.6%。從圖4可以看出，對拉伸性能影響最大的參數(shù)是溫度，而重量和速度的影響較小，但仍是積極的。結果表明，所有輥壓樣品的拉伸性能都有所提高，并且如預期的那樣對溫度和壓力有很強的依賴性。隨著滾輪溫度的升高，沉積絲的溫度再次升高，進一步高于材料的玻璃化轉變溫度Tg，這反過來導致更長的擴散時間和更快的絲間擴散，并得到了更強的界面結合強度。因此，我們得出結論，通過獲得更強的界面結合強度，沉積絲材的溫度有效地重新提高了沉積聚合物的溫度，使其高于Tg。然而，溫度從80℃增加到100℃似乎沒有顯著差異，主要是由于PLA的熱導率較低(0.13 W/m*K)，與80℃測試的樣品相比，增加20℃不足以顯著提高沉積聚合物的溫度。因此，在120℃的溫度下軋制的樣品可以觀察到更顯著的結果?？傮w而言，120℃的溫度對拉伸性能有最大的影響，導致最高的極限拉伸強度和模量值以及最低的應變。

圖3 拉伸性能增加百分比

圖4 拉伸性能的主要影響參數(shù)

與拉伸測試不同，由于聚合物對滾輪的粘性，彎曲測試結果不那么突出，通常會導致如圖5所示的負面影響。一般來說，粘滯的發(fā)生會導致整個結構出現(xiàn)大量缺陷，盡管由于單向載荷平行于層間表面，這對拉伸性能沒有強烈影響，但由于載荷現(xiàn)在垂直于層，這些缺陷確實對彎曲性能有更強的影響。彎曲分析表明，極限彎曲強度最大增加13.5%，彎曲模量最大增加20.76%，彎曲應變最大增加11.9%。然而，也觀察到對彎曲模量和彎曲應變的負面影響，由于聚合物粘滯，給定試件的彎曲模量最大降低了14.8%和6.8%。與拉伸測試一樣，溫度仍然是最具影響力的參數(shù)，更高的壓力和更快的速度導致更好的力學性能。

對于輥的溫度，120℃再次導致最好的機械性能。這與本研究的假設相一致，即較高的溫度有效地重新提高了沉積絲材溫度，并使進一步的絲束間擴散成為可能。此外，在80℃和100℃的滾輪溫度中也發(fā)現(xiàn)了類似的結果。與拉伸測試結果一樣，由于PLA的熱導率較低，與80℃測試的樣品相比，20℃的增加不足以顯著提高沉積聚合物的溫度，因此沒有明顯的改善。壓力的影響似乎沒有在拉伸測試結果中那么顯著，但仍然受到溫度的強烈影響，特別是對極限彎曲強度。這進一步證實了較低的測試溫度不足以有效地重新提高沉積燈絲的溫度，從而顯著影響層間結合。然而，更高的壓力導致更好的機械性能在更高的溫度。最后，速度對力學性能的影響也與拉伸試驗結果不一致。與以往不同的是，在彎曲分析中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的趨勢。從拉伸測試結果中得出的結論是，由于層之間的暫停時間更少，速度更快導致更好的力學性能，這一發(fā)現(xiàn)最好地證實了120◦C溫度下的UFS結果。

圖5 抗彎性能增加百分比

總體來說，從三個測試參數(shù)(溫度、壓力和速度)來看，溫度對拉伸性能和彎曲性能的改善影響最大。120oC的高溫使機械性能得到了最大的改善，但在此溫度下，聚合物沉積在滾輪上經常發(fā)生摩擦，因此在測試結構上產生了許多缺陷，可能導致過早失效。為了克服這一問題并使輥筒溫度更高，應研究不同的輥筒材料以及表面光潔度。此外，壓力對輥筒溫度的影響也很大，特別是在輥筒溫度較低時?？傮w而言，正如假設的那樣，較高的壓力導致較高的力學性能，因為較大的絲間接觸面積。最后，與最初的預期相反，更快的速度會帶來更好的機械性能，因為較低的軋制速度會導致沉積聚合物的較大冷卻時間，從而導致有害的影響。

這項工作提出了一種可行的、經濟有效的、簡單的工藝修改方法，通過在FDM 3D打印機上安裝熱壓輥來增加層間附著力，以針對粘結形成的所有階段?？偟膩碚f，力學和熱力學分析表明了該方案的可行性。結果證實了機械力可以增加表面接觸面積，從而減少空洞形成和增加層間結合的假設。此外，滾輪提供的熱能可以使沉積絲的溫度重新提高到Tg以上，促進聚合物鏈在絲間界面上的進一步擴散和糾纏。

參考文獻：
Aaa B , Sk A , Jd B , et al. Hybrid material extrusion 3D printing to strengthen interlayer adhesion through hot rolling. 2022.