聚醚醚酮的FDM工艺参数与结晶行为研究

采用熔融沉积成型技术(FDM)制备了聚醚醚酮(PEEK)试样,并应用试验设计(DOE)方法分析研究了打印层高、热台温度和打印速度对PEEK试样拉伸强度和结晶行为的影响。结果表明:当打印层高、热台温度和打印速度分别为0.10 mm、160℃、30 mm/s时试样的拉伸强度最大(82 MPa)。3个打印参数从试样的层间结合、缺陷与结晶行为等方面不同程度地影响着PEEK试样的拉伸强度;随着热台温度的提升,试样的结晶度提高。而在同一热台温度下,由于打印过程中存在的温度分布差异,试样存在着明显的结晶不均匀现象,从试样的中心到边缘、沿厚度增加方向,结晶度逐步降低。     

熔融沉积成型聚醚醚酮力学性能多尺度分析

对挤出成型(EM)聚醚醚酮(PEEK)和熔融沉积成型(FDM) PEEK试样进行单轴拉伸试验。结果表明,与EM试样相比,FDM试样屈服强度为98.30 MPa,提高4.3%,拉伸模量无明显变化,断裂应变为22.6%,下降87.1%。FDM试样拉伸断口微观形貌显示,试样以脆性断裂为主,伴有部分韧性断裂,试样内部存在大量规则孔洞,显著降低材料的韧性。针对PEEK材料的拉伸过程,通过建立PEEK材料的Johnson-Cook模型,模拟了材料的拉伸断裂过程,vonM ises应力最大偏差为5.8%,与试验较符合;从细观尺度模拟研究FDM不同搭接微孔洞对材料力学性能的影响,结果表明,与三尖瓣状微孔洞相比,星形线状微孔洞下制件承受的拉应力下降27.4%,丝材并行搭接将会降低材料的拉伸强度。     

熔融沉积成型与注塑成型聚乳酸产品力学性能对比

通过挤出成型制备聚乳酸(PLA)线材,采用熔融沉积方法制备标准拉伸试样,对比熔融沉积成型(FDM)与注塑成型对PLA产品力学性能的影响。研究结果表明:PLA打印产品的拉伸强度较注塑成型下降了31.9%,然而其断裂伸长率相对提升了186%;3D打印产品结构对产品力学性能有一定影响,沉积丝的拉伸应变主要是由产品内部结构的弯曲变形引起的;打印线材的形状对拉伸形变和弯曲形变几乎没影响。     

聚酰胺12制品3D打印成型力学性能研究

应用3D打印技术中的熔融沉积成型法(FDM)和选择性激光烧结工艺(SLS)制备聚酰胺12(PA12)试样,研究了3D打印中构建不同取向方式对PA12力学性能的影响。同时,将3D打印试样与传统注射成型试样对比,比较了两者的性能差异。结果表明,FDM技术中构建不同打印取向影响PA12制品的力学性能,与注射成型相比,FDM试样的拉伸强度可达注塑件的56.3 %左右,断裂伸长率约为注塑件的60.9 %;SLS技术中,不同打印取向对制品的拉伸强度无明显影响,其拉伸强度可达注塑件的90 %以上,但其断裂伸长率较低,不足注塑件的10 %。     

改性油茶壳粉增强聚乳酸3D打印材料性能研究

以废弃油茶壳（COS）为原料,经过碱和硅烷偶联剂处理后,制得改性COS。将改性COS与聚乳酸（PLA）经熔融共混挤出、拉丝,制备适用于熔融沉积成型（FDM）的改性COS/聚乳酸（PLA）3D打印材料,对其力学性能、热学性能、打印性能等进行探讨。结果表明：采用碱和硅烷偶联剂改性COS,可以显著提高COS的初始热分解温度,也提高改性COS/PLA 3D打印材料的热稳定性。当改性COS的质量分数为3%,改性COS/PLA 3D打印材料的弯曲强度和拉伸强度最大分别为66.97 MPa和53.57 MPa,相比纯PLA分别提高15.19%和12.05%,而且聚合物的结晶度提高15.6%。通过FDM 3D打印技术成功制备了个性化艺术品,打印效果良好。     

用于3D打印的微晶纤维素/聚乳酸复合材料制备与性能研究

以微晶纤维素（MCC）为增强材料、聚乳酸（PLA）为基体,通过高温熔融共混、挤出、拉丝等流程,制备适用于熔融沉积成型（FDM）3D打印技术的MCC/PLA复合材料,并通过FDM型3D打印机打印出成品。讨论了MCC添加量对该复合材料的力学性能、热性能、微观结构以及3D打印性能的影响。研究结果表明,随着MCC添加量的增加,复合材料的力学性能呈现先增高后下降的变化趋势,当MCC添加量为3%时,其拉伸强度和弯曲强度达到最高,分别为54.55 MPa和64.25 MPa。红外分析证实了微晶纤维素与聚乳酸在熔融时发生了接枝共聚反应。热性能分析表明,添加少量MCC,可以提高复合材料的热稳定性和PLA的结晶度。MCC添加量为3%的MCC/PLA复合材料其力学性能、打印性能和外观达到最佳,可应用于FDM型3D打印技术。     

用于FDM的PLA共混改性

采用酰胺成核剂(NT–C)和聚乙二醇(PEG2000)对聚乳酸(PLA)进行熔融共混改性,制备了用于3D打印的PLA/NT–C/PEG2000共混物,并在200℃的温度下通过熔融沉积成型(FDM)工艺制备了共混物FDM打印件。研究了NT–C的用量对PLA/NT–C打印件结晶性能的影响,并在此基础上研究了PEG2000用量对共混物流变性能、共混物打印件的结晶性能和力学性能的影响。差示扫描量热分析表明NT–C可在一定程度上提高PLA/NT–C打印件的结晶度,一定用量的PEG2000的添加进一步提高了共混物打印件的结晶性能,当NT–C和PEG2000的质量分数分别为2%和5%时,打印件的结晶度达到17.1%,相比PLA提高了12倍;流变性能测试表明PEG2000提高了共混物的熔体流动速率,降低了共混物储能模量和损耗模量对温度的依赖性,扩宽了PLA在FDM工艺中的成型温度;力学性能测试表明PEG2000显著提高了PLA/NT–C/PEG2000共混物的缺口冲击强度,降低了打印中断丝的几率,FDM打印件弯曲和拉伸强度相比于PLA也有显著提高,当NT–C和PEG2000的质量分数分别为2%和5%时,打印件的弯曲和拉伸强度分别达到了注塑件的80%和70%以上,扩宽了PLA在FDM中应用。     

基于FDM的3D打印SCF/ABS复合材料的结构与性能

采用熔融共混挤出法制备了适用于熔融沉积成型(FDM)的不同含量短切碳纤维(SCF)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)复合材料线材,并通过FDM设备进行打印成型,研究了SCF含量对FDM成型试样结构与性能的影响。结果表明:碳纤维降低了成型试样的孔隙率;随着SCF含量的增加,成型试样中纤维的平均长度逐渐下降,当SCF含量从5%增加到30%时,纤维的平均长度下降了约28%;相比于纯ABS试样,不同SCF含量的SCF/ABS复合材料试样力学性能均有所提高。与纯ABS试样相比,当SCF含量为30%时,成型试样的拉伸强度和拉伸模量分别提高了52%和378%。研究结果表明,SCF对ABS成型试样具有明显的增强效果。     

热处理工艺对增材制造PEEK/CGF力学性能影响

针对连续玻璃纤维(CGF)增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料丝材在增材制造中因快速冷却造成材料结晶不充分、力学性能较低、层间结合能力差等问题,通过差示扫描量热(DSC)分析和力学性能测试,探究了热处理工艺参数对PEEK/CGF打印件力学性能的影响规律。结果表明,适当的热处理工艺能够提高PEEK/CGF材料的结晶度,进而提升成型件的综合力学性能。当保温温度在180～200℃,保温时间在50～60 min时,PEEK/CGF打印样件的力学性能最优,热处理后样件的弯曲强度为269.1 MPa,层间剪切强度为26.11 MPa,拉伸强度为332.71 MPa,较热处理前分别提高94.48%,97.95%与16.9%。     

3D打印用ABS丝材性能研究

以丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)为基体,分别以碳酸钙、短切玻璃纤维(GF)和色母粒为改性填料,通过挤出成型制备改性ABS丝材,然后采用3D打印技术中的熔融沉积成型(FDM)技术,通过FDM型3D打印机打印测试试样,对其力学性能及收缩率展开研究。研究结果表明,碳酸钙填料的加入使得ABS 3D打印试样的拉伸强度降低,用量为2份的短切GF可略微提高试样的拉伸强度,但随着GF含量的增加拉伸强度下降;当打印速度不高于50 mm/s时,相比于橘黄色母粒,蓝色母粒可提高试样的拉伸强度;改性ABS试样的拉伸性能随着打印速度的增加呈现两种不同的变化趋势,这可能由材料流动性能的差异所引起;随碳酸钙或GF用量增加,试样的收缩率逐渐降低,其中GF改性ABS试样收缩率的降低幅度更大,相比于橘黄色母粒,蓝色母粒的加入能够更有效地降低ABS试样的收缩率。     

聚醚醚酮薄膜的性能研究

采用挤出流延法制备了一系列聚醚醚酮（PEEK）薄膜，通过拉力机、差示扫描量热仪、紫外分光光度计、透光率雾度仪等对PEEK薄膜的基本性质、光学性能、力学性能进行了研究。结果表明，PEEK薄膜的透光率随结晶度的升高而降低；拉伸速率对拉伸强度、断裂伸长率的影响不大，拉伸速率快，屈服强度明显提高；拉伸强度随流延辊速度的增加而提高；双向拉伸的方法可使薄膜拉伸强度达到203 MPa；增加薄膜厚度、提高结晶度的方法可以提高薄膜的抗紫外性能。     

FDM工艺中构建取向对塑料制品力学性能的影响

3D打印技术在塑料加工领域的影响力越来越大,但3D打印制品依然存在强度不足等问题。选用3D打印技术中的熔融沉积成形(FDM)技术作为研究对象,通过实验ABS及PLA试样的拉伸强度及断裂伸长率,分析了FDM技术中构建取向对塑料制品力学性能的影响,此外通过与注塑试样进行对比,研究了FDM技术制品与传统注塑制品力学性能上的差距。实验结果表明:采用不同构建取向的试样呈现各向异性,但对ABS试样的影响大于PLA试样;ABS试样的拉伸强度最高约为注塑试样的78.53%;PLA试样与注塑试样无较大差距,但断裂伸长率最高仅为67.77%。实验证明合理的构建取向能够提高FDM制品的力学性能,接近或达到注塑工艺的水平,验证了FDM技术制备功能产品方面的可行性。     

不同相容剂对FDM用PLA/木粉复合材料性能的影响

采用熔融沉积制造(FDM)工艺制备了聚乳酸(PLA)/木粉复合材料,研究了3种相容剂PLA-g-MAH(马来酸酐接枝聚乳酸)、POE-g-MAH(马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物)和EPDM-g-MAH(马来酸酐接枝三元乙丙橡胶)对复合材料力学性能、加工流动性和热稳定性的影响,并使用扫描电子显微镜(SEM)观察了试样断面形貌。结果表明:与相容剂添加前相比,加入相容剂后复合材料的拉伸强度、冲击强度和弯曲模量均有所提升,且加工流动性得到改善,热稳定性提高,线材成型变得容易,打印试样的质量变好。其中以POE-g-MAH对复合材料的力学性能提高最大,复合材料的拉伸强度提高了32.11%,冲击强度提高了38.43%,弯曲模量提高了15.68%,对加工流变性能和热稳定性改善效果最好,打印试样质量好、精度高。SEM观察结果显示,相容剂的添加使复合材料裸露的木粉减少,木粉与PLA基体的两相界面变得模糊,其中POE-g-MAH的改性效果最佳。     

聚碳酸酯注射成型制品力学性能的Taguchi分析

采用Taguchi分析方法考察了注射成型工艺参数对聚碳酸酯(PC)力学性能的影响。结果表明,注射成型工艺参数对PC的拉伸强度影响较大,对弯曲强度和冲击强度影响较小;方差分析结果表明,模具温度对拉伸强度的影响最大,注射压力和冷却时间次之,熔体温度的影响最小;模具温度降低,熔体冷却固化层厚度增加,取向程度增大,拉伸强度增加;同时结果表明Taguchi分析方法可以准确地对优选出的成型工艺制备的PC试样的拉伸强度进行预测,其预测值与测量值的偏差仅为0.75%。     

不同冷速下超高摩尔质量聚乙烯性能变化的研究

采用超高摩尔质量聚乙烯(UHMWPE)粉体为原料,通过模压成型,分别在炉、空气、水、液氮中冷却来改变其冷却速度。对不同冷速下的UHMWPE样品进行硬度、拉伸、接触角、摩擦磨损测试。利用SEM观察试样磨损形貌,DSC测试样品结晶度。结果表明:随着冷却速度的增大,试样的结晶度降低;随着结晶度的增加,试样的硬度、屈服强度、拉伸强度和抗蠕变性能提高,但是试样的延伸率下降,同时试样表面润湿性降低。在25%小牛血清润滑条件下,随着结晶度的增加,UHMWPE的摩擦因数和磨损量降低,耐磨性提高。     

退火工艺对3D打印制品性能的影响

使用熔融沉积成型(FDM)工艺,3D打印了聚乳酸(PLA)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)材质的试样,并将试样在不同退火温度和时间下进行热处理。将退火后的试样进行拉伸性能测试、扫描电镜分析和X-射线衍射分析。结果表明:ABS试样在退火温度为40℃、退火时间为3 h时,平均拉伸强度和断裂伸长率最大。随着退火温度的提高,PLA试样的拉伸强度和结晶度均呈先增大后减小的趋势,且试样的拉伸强度和结晶度呈正相关关系。当退火温度为100℃、退火时间为1 h时,PLA试样的拉伸强度最大。通过扫描电镜观察发现,随着退火时间的延长,PLA和ABS打印试样的断面层间孔隙减小,丝材的粘结面积增大。     

打印铺层结构及工艺参数对FDM构件力学性能的影响

为了获得性能优异的熔融沉积成型(FDM)构件,应用单轴拉伸试验,基于控制变量法,探讨了打印层厚、打印速度、打印温度等工艺参数及铺层结构对聚乳酸(PLA)试样力学性能的影响。结果表明,FDM打印方式会形成明显的层间界面,当承载方向与堆叠方向一致时,结构的承载能力最差;当铺层为±45°时,试样的弹性模量及拉伸强度达到最大值。且当打印层厚为0.3 mm,打印速度为默认值的70%,打印温度为230℃,可以获得相对最优的力学性能。     

3D打印连续芳纶纤维增强聚乳酸复合材料的拉伸性能研究

将连续芳纶纤维(Kevlar)和聚乳酸(PLA)分别用作增强体和基体,同时引入熔融沉积成型(FDM)打印工艺制备样品,研究了打印层高、线宽、温度对连续芳纶纤维复合材料拉伸性能的影响。结果表明,随着打印层高与线宽的减小,试样中纤维含量逐渐增加,试样的拉伸强度显著增大。同时随着打印温度的增加,基体与纤维束结合加强,在一定范围内试样强度呈现上升趋势。当打印层高为0.3 mm,纤维体积分数为4.1%,试样的拉伸强度可达127 MPa,较纯PLA试样拉伸性能提高124.6%;较传统的纯PLA材料3D打印试样,连续芳纶纤维的加入极大地提高了试样的拉伸性能。     

聚乳酸／聚（3⁃羟基丁酸⁃co⁃3⁃羟基戊酸酯）共混材料3D打印线材改性研究

采用熔融共混法制备聚乳酸／聚（3?羟基丁酸?co?3?羟基戊酸酯）（PLA/PHBV）,以及分别添加苯乙烯?甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物（ADR）、柠檬酸三丁酯（TBC）的共混物PLA/PHBV/ADR和PLA/PHBV/TBC,通过注塑和熔融沉积成型（FDM）技术制备了标准测试样条,研究了添加ADR和TBC后对PLA/ PHBV共混材料及三维（3D）打印样品热学性能和力学性能的影响。结果表明,PHBV结晶度均降低,加入ADR的注塑样品断裂伸长率最大提高到32 %,加入TBC的注塑样品拉伸强度和冲击强度提高,断裂伸长率提高到2.8 %;加入ADR的3D打印制品拉伸强度降低,断裂伸长率提高,添加TBC的3D打印制品相容性得到了明显的提升,通过扫描电子显微镜（SEM）观察无明显的颗粒相,拉伸强度在改性前后无明显变化。     

基于XFEM短纤维聚醚醚酮复合材料结构稳定性数值模拟分析

熔融沉积成型(FDM)制备短纤维增强聚合物复合材料成型技术日趋完善。采用FDM-3D挤压工艺制备了纤维含量为10%的短碳纤维(CF)和玻璃纤维(GF)增强的高性能聚醚醚酮复合材料,通过拉伸实验获取聚醚醚酮(PEEK)、碳纤维聚醚醚酮复合材料(CF/PEEK)以及玻璃纤维聚醚醚酮复合材料(GF/PEEK)试样应力-应变曲线。在此基础上,以单边缺口弯曲断裂试样为对象,基于扩展有限单元法(XFEM)建立三种材料的数值模拟模型,分别讨论了含初始裂纹缺陷和无预制裂纹状况下试样的结构稳定性。结果表明,在相同条件下CF/PEEK复合材料构件先于纯PEEK材料、GF/PEEK复合材料发生结构失效行为,且当构件中存在热裂纹的状况下,CF/PEEK复合材料构件更有可能发生断裂失效。