胡程誠(chéng),王成諾,耿廣旭,華 麗,孫岳玲,李 瑞
(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127)
目前,聚乳酸材料已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于熔融沉積成型3D打印領(lǐng)域,聚乳酸絲材有自身的缺點(diǎn):強(qiáng)度和韌性比較差、打印中易斷絲、制品較脆等。因此如何改善聚乳酸材料的性能成為了人們研究的熱點(diǎn)[1-2]。本課題組早就對(duì)聚乳酸的改性做出了理論和實(shí)踐的研究[3]。研究發(fā)現(xiàn)蒙脫土可以作為一種增韌劑,與聚乳酸進(jìn)行物理共混,很大程度上就改變了聚乳酸的韌性,機(jī)械強(qiáng)度的增加也使得聚乳酸和蒙脫土制出的納米復(fù)合材料在3D打印材料選擇和運(yùn)用具有更大的競(jìng)爭(zhēng)力。本文研究改性的PLA/O-MMT復(fù)合材料在3D打印的影響。
實(shí)驗(yàn)室的3D打印機(jī)采用熔融沉積建造模型這種3D打印技術(shù)利用電源加熱的方法將絲帶狀高分子材料加熱,達(dá)到材料的熔點(diǎn),打印噴頭在電腦的程序控制下,沿軸向做平面運(yùn)動(dòng)。圖1是實(shí)驗(yàn)室使用的兩種型號(hào)的打印機(jī)。工作臺(tái)對(duì)熔融狀態(tài)下的改性材料打印繪制,通過覆蓋在托盤上形成一層截面,然后精確的層層疊加,涂覆,一直到打印出和電腦上設(shè)計(jì)的實(shí)物一致的模型[4-5]。
圖1 3D打印機(jī)Fig.1 3D printer
3D打印材料如表1所示。
表1 3D打印材料Table 1 3D printing material
桌面級(jí)3D打印機(jī),杭州先臨三維科技股份有限公司;切片軟件,Print Rite CoLi DoRepetier-Host;TY-8000型電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī),江蘇天源實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;TY-4020型簡(jiǎn)支梁沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī),江蘇天源實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。
按照GB/T 1040.2-2006、ASTM-D256標(biāo)準(zhǔn),制作尺寸如圖2所示的拉伸、沖擊用的試樣三維模型,并導(dǎo)出STL文件,按系統(tǒng)默認(rèn)值設(shè)置時(shí)弦長(zhǎng)、角度大小以及步長(zhǎng)大小,接著按照表2參數(shù)信息用切片軟件切片打印,沿著樣品長(zhǎng)度方向打印,45°角直線填充。
圖2 樣品尺寸Fig.2 Sample size
表2 樣品打印參數(shù)Table 2 Sample printing parameter
本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試了3D打印材料的拉伸性能,按照 GB/T1040.2-2006進(jìn)行測(cè)試,確定拉伸速率為5 mm/min;沖擊性能按 ASTM-D256 測(cè)試,確定擺錘能量為5.5 J。研究了打印速度、打印溫度、填充密度、打印參數(shù)對(duì)3D打印產(chǎn)品機(jī)械性能的影響。
打印速度對(duì)聚乳酸/蒙脫土打印制品的影響如圖3所示,拉伸應(yīng)力與應(yīng)變曲線的關(guān)系圖。它的機(jī)械性能表現(xiàn)如圖4所示。從圖4可以看出,隨著打印速度的增大,樣品的強(qiáng)度就越差,變得越來越脆,打印速度為 60 mm/s 的拉伸強(qiáng)度比打印速度為20 mm/s降低了62%、打印速度為20 mm/s的沖擊強(qiáng)度比打印速度為20 mm/s降低了18%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是在打印噴頭的快速移動(dòng)中,產(chǎn)生振動(dòng)和慣性,這些都造成打印產(chǎn)品精度的下降,從而產(chǎn)品強(qiáng)度降低。
圖3 不同打印速度時(shí)拉伸應(yīng)力與應(yīng)變曲線的關(guān)系圖Fig.3 The relationship between tensile stress and strain curve at different printing speed
圖4 打印速度對(duì)機(jī)械性能的影響Fig.4 The effect of printing speed on mechanical propertie
打印溫度不同,產(chǎn)品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示,打印溫度對(duì)機(jī)械性能的影響如圖6所示。
由圖6中可以得出,拉伸強(qiáng)度隨溫度的升高快速增強(qiáng),而沖擊強(qiáng)度則快速下降,打印溫度為225 ℃ 的拉伸強(qiáng)度比打印溫度為195 ℃的拉伸強(qiáng)度,增加13%;打印溫度為225 ℃的沖擊強(qiáng)度比打印溫度為195 ℃時(shí)的沖擊強(qiáng)度減少了100%。這是因?yàn)樵诖蛴∵^程中聚乳酸/蒙脫土的材料分子會(huì)隨著打印噴頭運(yùn)動(dòng),相互平行,隨著打印溫度的升高,一些排列好的塑料未被冷卻,就會(huì)留在樣品中,沿著打印方向會(huì)出現(xiàn)分子取向。樣品拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí),分子取向與受力方向相同;樣品沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)沖擊力與分子取向方向垂直。因此溫度越高,拉伸強(qiáng)度越大,沖擊強(qiáng)度越小。
圖5 不同打印溫度時(shí)拉伸應(yīng)力與應(yīng)變曲線的關(guān)系圖Fig.5 The relationship between tensile stress and strain at different printing temperature
圖6 打印溫度對(duì)機(jī)械性能的影響Fig.6 The effect of printing temperature on mechanical propertie
填充密度不同得到了產(chǎn)品應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示,填充密度對(duì)機(jī)械性能的影響見圖8。
設(shè)置每層填充的角度其值范圍從0±180°。由圖8可知,隨著填充密度的增加,拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都提高了,填充密度為50%的拉伸強(qiáng)度比填充密度25%的增加了32%;填充密度為50%的沖擊強(qiáng)度比填充密度25%增加了300%,探究原因是填充密度越大,打印耗材越多,強(qiáng)度就越高。
圖7 不同填充密度時(shí)拉伸應(yīng)力與應(yīng)變曲線的關(guān)系圖Fig.7 Relation between tensile stress and strain curves at different filling densitie
圖8 填充密度對(duì)機(jī)械性能的影響Fig.8 Effect of filling density on mechanical propertie
切片后,設(shè)置打印信息參數(shù)如表3所示。從表3中可以看出,打印時(shí)間越短,也就是打印的速度越快,打印耗材越??;此外,層的厚度會(huì)影響到3D打印的效果,層設(shè)置的越薄,打印時(shí)間會(huì)變長(zhǎng),但產(chǎn)品精度增高,反之,層設(shè)置的較厚,打印的速度雖然快了,但是打印的精度卻降低了。
表3 打印參數(shù)的設(shè)置Table 3 Settings of printing parameter
選用PLA/MMT復(fù)合材料經(jīng)拉絲以后用于3D打印,選用設(shè)定的程序和打印參數(shù),打印出兩種成品,如圖9所示。由于聚乳酸/有機(jī)蒙脫土復(fù)合材料的缺點(diǎn)[5],不適合打印形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、懸空結(jié)構(gòu)多的精度和表面質(zhì)量要求的產(chǎn)品和配件,目前在實(shí)驗(yàn)室選用的實(shí)心的簡(jiǎn)單玩具。
圖9 3D打印成品展示圖Fig.9 3D print the finished product displa
(1)設(shè)置打印信息參數(shù),打印時(shí)間越短,打印耗材越??;層的厚度會(huì)影響到3D打印的效果,層設(shè)置的越薄,打印時(shí)間會(huì)變長(zhǎng),但產(chǎn)品精度增高。
(2)打印速度增大,樣品的強(qiáng)度就越差,變得越來越脆,
(3)打印溫度越高,樣品的拉伸強(qiáng)度越大,沖擊強(qiáng)度越小。
(4)填充密度越大,樣品的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度就越大。
聚乳酸/蒙脫土納米復(fù)合材料擁有很好的生物相容性和降解性,被認(rèn)為是非常好的生物高分子材料,這種材料 3D 打印的產(chǎn)品外表光滑,廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。但由于3D 打印聚乳酸/蒙脫土納米復(fù)合材料成本比較高,材料的性能不夠完善,很難以滿足生產(chǎn)要求的品質(zhì)。未來,低成本、高性能、實(shí)用性好的3D 打印復(fù)合材料仍將是人們研究的熱點(diǎn)[6]。聚乳酸/蒙脫土納米復(fù)合材料3D打印材料的性能會(huì)得到進(jìn)一步的改進(jìn)。