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。     

3D打印参数对TPU制品力学性能的影响

熔融沉积成形(FDM)技术在塑料制品加工领域的应用日趋广泛,但传统FDM类3D打印机以丝料为耗材,对材料刚度有特定要求,限制了耗材的种类。提出了熔体微分3D打印机以塑料粒料为耗材,采用微型螺杆输送、建压以及阀控系统精密计量,扩大了耗材的适用范围并实现软材料的3D打印能力。以TPU弹性体作为研究对象,通过正交实验方法,分析工艺参数对试样拉伸强度及断裂伸长率的影响,此外通过与注塑试样进行对比,研究了3D打印试样与注塑试样力学性能上的差距。实验结果表明:层高、填充角度及塑化温度对试样力学性能有影响,其中影响程度为塑化温度层高填充角度;当层高为0.2 mm、填充角度为45°、塑化温度为220℃时,有最大断裂拉伸强度及断裂伸长率,其拉伸强度和伸长率分别达到注塑试样的62.6%和73.2%。验证了熔体微分3D打印机制备弹性体制品的可行性,且合理的加工工艺参数能够提高试样的力学性能。     

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 %。     

PLA/PHBV共混3D打印线材的制备及性能研究

采用熔融共混法制备了聚乳酸/聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸酯)(PLA/PHBV)共混物,用熔融沉积成型(FDM)技术制备了三维(3D)打印标准测试样条,研究了PLA/PHBV质量比对PLA/PHBV共混物及3D打印线材性能的影响。结果表明,PLA/PHBV共混材料是完全不相容的体系,随着PHBV含量的增加,PLA/PHBV共混物以及3D打印制品的拉伸强度下降,但断裂伸长率有所提高;弯曲强度及冲击强度均先上升后下降;注塑样品的拉伸强度最大可达43.31 MPa,断裂伸长率可达5.37%;3D打印制品的拉伸强度最大可达49.16 MPa,断裂伸长率可达7.41%;PLA/PHBV共混物以及3D打印制品淬断断面呈现典型的"海岛"分布,PHBV相均匀的分散在PLA基中;随着PHBV含量的增加,注塑样条的断面逐渐变得粗糙,打印制品层与层之间空隙减小,填充率上升,黏结性能提高。     

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。     

3D打印PEI成型工艺对制品力学性能的影响

聚醚酰亚胺(PEI)具有优良的力学性能、耐辐照性能、耐高低温及耐磨性能,是工业领域不可或缺的重要材料之一。采用熔融沉积成型(FDM)技术,可用来构建具有复杂几何形状的功能部件。不同的成型工艺参数对零件的力学性能具有较大的影响。研究了3D熔融沉积成型中PEI的填充路径、填充率、成型件放置角度和喷嘴孔径对制品拉伸强度和断裂伸长率的影响,得到了具有最佳力学性能的打印工艺。结果表明,当填充方向为±45°时,试样的拉伸强度最大,为99.4 MPa;当填充方向为0°时,断裂伸长率最大,为15.3%;当填充方向为90°时,试样拉伸强度和断裂伸长率最小,分别为80.2 MPa和12.4%。且不同的放置角度对试样拉伸强度和断裂伸长率影响较大;试样的拉伸强度和断裂伸长率随着喷嘴孔径的增大而减小,当喷嘴孔径为0.4 mm时,其值最大。     

聚乳酸(PLA)3D打印工艺研究

采用3D打印方式制备了聚乳酸(PLA)样品,通过对打印速度、打印温度、填充密度、层厚的调节,研究了打印工艺对PLA产品力学性能的影响。结果表明,填充密度和层厚的增加会使打印所用材料变多;打印速度的增加会引起拉伸强度、冲击强度、断裂伸长率、拉伸模量的降低;打印温度的升高会使拉伸强度和拉伸模量增大,冲击强度减小,断裂伸长率先增后减;填充密度的增加会使拉伸强度和冲击强度增大,但是断裂伸长率和拉伸模量先升后降;打印层厚的增加会引起拉伸强度、冲击强度、断裂伸长率、拉伸模量的增加。     

3D打印参数对聚乳酸试样拉伸性能的影响

研究了三维(3D)打印关键工艺参数(填充密度、打印层高、打印壁厚和打印温度)对聚乳酸(PLA)试样拉伸强度和断裂伸长率的影响。结果表明,随填充密度的增大,试样的拉伸强度及断裂伸长率均呈增大趋势,但当填充密度为100%时,试件结构由空间网状结构转变为实体结构,造成断裂伸长率下降;随着打印层高的增加,试样拉伸强度降低,但断裂伸长率增加;随打印壁厚的增加,试样的拉伸强度以及断裂伸长率均呈现增加的趋势,但当打印壁厚为1.6mm时,试件断面以实体结构为主,造成断裂伸长率下降;PLA材质打印材料在210~220℃范围内获得的试件拉伸性能最好。     

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。     

3D打印参数对制品层间黏结性能的影响

研究了打印制品层间黏结性能与打印参数(如喷头温度、打印层高等)、退火与否以及打印材料种类之间的关系,使用桌面熔融沉积成型(FDM)成形机打印了一系列的标准拉伸及冲击性能测试样。结果表明,丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和聚乳酸(PLA)打印试样的拉伸强度和断裂伸长率均随着喷头温度的增加而提高,随层高的增加而下降;扫描电子显微照片表明,ABS和PLA试样均随着打印层高的增大,断面层间孔隙逐渐增大,丝材黏结面积减小;退火后,ABS试样的残余应力得到去除,拉伸强度和韧性得到稳定和改善,PLA试样蜷曲开裂现象加剧,拉伸强度和韧性下降。     

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。     

FDM工艺中填充方式对塑料制品力学性能的影响

采用熔融沉积成型方式制备ABS力学测试样条,通过拉伸和冲击测试研究不同填充方式对塑料制品拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度的影响。实验表明,对于方格填充呈现出随填充角度增大,拉伸强度和断裂伸长率增大,冲击强度减小的现象。直线填充与45°方格填充实测结果近似相同,蜂窝填充拉伸强度和断裂伸长率与15°方格填充近似相同,冲击强度与30°方格填充近似相同。在实际生产中,需根据制品力学性能要求在其不同区域选择合适的填充方式,以提高制品整体力学性能,降低生产成本。     

3D打印工艺对木粉/聚乳酸材料性能的影响

采用熔融沉积法(FDM)3D打印工艺制作木粉(WF)与聚乳酸(PLA)质量比为3：100的WF/PLA复合材料,研究了打印工艺参数对WF/PLA复合材料力学性能的影响,确定了最佳打印工艺条件,然后,在最佳条件下,打印WF与PLA质量比为11：100的WF/PLA复合材料,并且,将该材料的性能与FDM 3D打印PLA试样进行了对比。结果表明,当打印层厚度为0.1 mm、打印温度为220℃、打印速度为50 mm/s、填充密度为100%、沉积角度为0时,WF/PLA复合材料的力学性能最佳。在该工艺条件下,WF与PLA质量比为11：100的WF/PLA复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度分别为纯PLA的89.61%、97.56%、82.86%、92.40%和95.04%,与纯PLA相比,复合材料的表面润湿性能较好,吸水率显著增大。     

填充方式对熔融沉积成型试件力学性能的影响

在将聚乳酸(PLA)作为原料的熔融沉积成型(FDM)实验中,分别研究了10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%10种填充率,与直线型、斜线型、蜂窝型、三角型和波浪型5种填充路径对试样拉伸强度和断裂伸长率的影响。研究结果表明,随着试样填充率的增加,拉伸强度逐渐增大。当填充率 60%时,拉伸强度的提升效果更显著。随着填充率的提高,试样的断裂伸长率呈先增加,后降低,再增加的趋势。当试样采用斜线型填充路径时,试样的拉伸强度的提升效果最佳。此外,可以通过材料力学构建的理论模型计算得到试件的拉伸强度。     

FDM工艺成型参数对软材料TPU制品力学性能的影响

用挤出机将TPU粒料挤出成型线材,经结构改进后的3D打印机将TPU线材打印成测试试样,通过正交实验方法,研究了填充率、平台温度、喷嘴温度对TPU制品的拉伸强度、断裂伸长率以及动态热力学性能的影响,并与同种材料的模压试样进行对比。结果表明:填充率、平台温度和喷嘴温度对试样力学性能具有明显的影响,其中,影响程度为喷嘴温度填充率平台温度;当填充率为75%、平台温度为50°和喷嘴温度为220℃时,TPU制品的力学性能最佳,拉伸强度为23. 04MPa,断裂伸长率为956. 02%,分别为模压试样的75. 12%和82. 01%,邵氏A硬度为84。因此,填充率、平台温度和喷嘴温度等影响TPU制品的力学性能,合理设置成型参数能获得接近模压制品的力学性能。     

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。     

基于正交试验的PETG/ABS复合制件熔融沉积成型工艺参数的优化

为了缩短熔融沉积成型(FDM)工艺的成型时间并改善产品的力学性能,采用FDM工艺方法对聚对苯二甲酸乙二醇-1,4-环己二甲醇酯(PETG)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)两种线材进行3D打印,以成型时间、拉伸强度和拉伸弹性模量为优化指标,设计了基于正交试验法的三因素(打印速度、分层厚度、填充率)四水平的工艺参数优化方案。结果表明:PETG/ABS复合制件最优力学性能的参数组合是A4B1C3,即打印速度为30 mm/s、分层厚度为0.1 mm、填充率为75%。验证试验表明,拉伸强度为44.73 MPa、弹性模量为758.12 MPa、成型时间为113 min,优化参数后明显改善了力学性能,对双材料打印制品的生产具有一定的指导意义。     

星型聚氨酯增韧改性聚乳酸3D打印线材

以聚醚三元醇为星型结构单体,采用本体预聚法合成具有可加工性的星型聚氨酯(SPUR),将其用于聚乳酸(PLA)的增韧改性,制备高韧性PLA/SPUR共混材料的3D打印线材,并采用熔融沉积成型(FDM)技术制备高韧性3D打印制品。结构表征及性能测试结果表明,当聚醚三元醇含量为3%时,合成的SPUR3分子量最高、综合性能最佳,将其与PLA进行共混,可显著提升PLA的断裂伸长率和冲击强度。当SPUR3含量为10%时,断裂伸长率最大,达336%,是PLA断裂伸长率的37.7倍;当SPUR3含量为30%时,共混物的冲击强度达到52.368 kJ/m2,是PLA冲击强度的31.8倍。SPUR3的混入还提高了PLA的结晶温度,降低了其储能模量和玻璃化转变温度,通过控制SPUR3的含量可以调控共混物的韧性和强度。所制备的打印线材表面均比较光滑,均能通过FDM工艺正常打印成产品。     

ABS高胶粉增韧PLA合金材料的研究

研究了不同配方体系的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)高胶粉/聚乳酸(PLA)共混合金的力学性能、熔体流动性、注塑加工性,并通过SEM、DMA对ABS高胶粉/PLA共混合金的微观结构、相容性进行了表征。结果表明:ABS高胶粉大大提高了PLA的冲击强度和断裂伸长率,但拉伸强度和模量有所降低;增加ABS高胶粉含量,合金熔体流动性能、注塑加工性能均呈下降趋势;当ABS高胶粉质量分数为10%时,合金的熔体质量流动速率与纯PLA相当,熔体流动性较好,tanδ谱图和SEM照片也表征:此配方体系下的合金相容效果最佳。     

填充路径对FDM制造ABS力学性能的影响

熔融沉积成型制造的塑料件力学性能主要受成型工艺参数的影响。因此,研究了制造成型方向相关填充路径、温度热处理条件对熔融沉积成型ABS试件力学性能的影响。结果表明,ABS试件弹性模量、极限拉伸强度、断裂伸长率和失效形式呈现出与成型取向及填充路径相关的各向异性。采用0°填充路径的ABS试件的拉伸力学性能与成型材料一致;采用±45°填充路径的试件极限拉伸强度为成型材料的0.81倍;采用90°填充路径的试件的拉伸力学性能较差,其极限拉伸强度和断裂伸长率仅分别为成型材料的60.8%和42.7%。在160℃填充路径的下,加热1 h可最大程度改善90°填充路径的ABS试件层间粘结质量,其极限拉伸强度和断裂伸长率分别提升了1.48倍和3.56倍,与成型材料力学性能相近。0°和±45°填充路径的ABS试件失效表现为填充丝材的拉伸和相邻丝材分离,90°填充路径的试件由于层间粘结分离而被破坏。因此,建立了等效力学性能模型分析成型丝材力学性能、填充路径和孔隙率对打印试件弹性模量和极限拉伸强度的影响,预测值与实验数据吻合较好。