超聲波振動(dòng)與熱床對(duì)熔融沉積成型的影響

凌遠(yuǎn)志，王海雄*，李亞君，何金輝，嚴(yán)天祥

（桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 前言

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，熔融沉積成型技術(shù)已經(jīng)成為1種成熟的3D打印技術(shù)，由于該技術(shù)具有可使用的原料種類(lèi)較多、技術(shù)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域輕型產(chǎn)品制造［1‐3］。雖然熔融沉積成型技術(shù)日趨成熟，但由于該項(xiàng)技術(shù)存在原理性缺陷，沉積時(shí)相鄰兩絲之間黏結(jié)致密度不高，導(dǎo)致成型出制品的強(qiáng)度達(dá)不到要求。為提高該技術(shù)成型制品的質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外的研究人員通過(guò)研究成型工藝參數(shù)以改善制品的力學(xué)性能［4］。由于超聲波振動(dòng)具有改善材料的力學(xué)性能的功能，有許多學(xué)者提出將超聲波振動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于熔融沉積成型技術(shù)中，以提高成型制品的力學(xué)性能［5］。王武義等將超聲波振動(dòng)應(yīng)用于碳纖維與樹(shù)脂材料復(fù)合，證明了超聲波振動(dòng)可使復(fù)合材料力學(xué)性能得到顯著提升。

PETG是1種透明型共聚酯復(fù)合材料，該材料對(duì)環(huán)境友好，且具有耐沖擊等優(yōu)良的力學(xué)性能，目前正逐步占據(jù)高分子材料市場(chǎng)。本文采用熔融沉積成型技術(shù)制備PETG試件，由于超聲波振動(dòng)與熱床均能改變聚合物熔體在沉積時(shí)的溫度和層間黏結(jié)狀況，故在原有成型設(shè)備的基礎(chǔ)上加入超聲波振動(dòng)裝置和熱床，以研究超聲波振動(dòng)和熱床溫度對(duì)成型試件力學(xué)性能的影響。研究時(shí)首先成型出標(biāo)準(zhǔn)PETG拉伸試件和壓縮試件，然后運(yùn)用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分別進(jìn)行拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)，并運(yùn)用場(chǎng)外發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其斷面情況，分析相應(yīng)數(shù)據(jù)，探究超聲波振動(dòng)和熱床溫度對(duì)熔融沉積成型試件力學(xué)性能的影響規(guī)律，以達(dá)到改善PETG材料成型質(zhì)量的目的，從而可以拓寬PETG材料的應(yīng)用領(lǐng)域，為實(shí)際PETG制品的工業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PETG，1.75 mm熱塑性線材，中科三維成型技術(shù)（深圳）有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

熔融沉積成型設(shè)備，巨影PMAX Y7510，深圳巨影投資發(fā)展有限公司；

SEM，JSM‐7900F，日本電子株式會(huì)社；

超聲波發(fā)生器，THD‐T1，深圳電科超聲波公司；

換能器，28K60W，深圳旭升精密機(jī)械有限公司；

力學(xué)性能測(cè)試儀，WDW‐100，濟(jì)南眾標(biāo)儀器設(shè)備有限公司；

換能器裝于3D打印機(jī)底板，并與超聲波發(fā)生器相連，其照片如圖1所示；熱床的溫度控制誤差范圍為±0.5℃。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Experimental equipment

1.3 樣品制備

拉伸試樣根據(jù)GB/T 16421—1996中塑料拉伸性能小試樣實(shí)驗(yàn)方法中的標(biāo)準(zhǔn)建立三維模型，壓縮試樣則根據(jù)GB/T 1041—2008塑料壓縮性能測(cè)試方法中塑料壓縮試件的標(biāo)準(zhǔn)建立三維模型；按照萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣的要求，拉伸試樣選用I型試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，壓縮試樣選用正方體柱型；從前期準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)中分析影響因素并確定最優(yōu)成型工藝參數(shù)；建立標(biāo)準(zhǔn)試樣三維模型（拉伸試樣如圖2所示，壓縮試樣如圖3所示），并將其轉(zhuǎn)化為STL格式文件；將熱床平臺(tái)調(diào)平，將PETG線材裝到設(shè)備中，連接超聲波發(fā)生器及換能器；調(diào)整好設(shè)備，加熱熱床和噴嘴到一定溫度后使噴嘴回到原點(diǎn)，開(kāi)啟超聲波發(fā)生器，然后啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行試件制備；更換工藝參數(shù)只需重復(fù)進(jìn)行上述步驟即可［6］。

圖2 拉伸實(shí)驗(yàn)試件Fig.2 Tensile test specimen

圖3 壓縮實(shí)驗(yàn)試件Fig.3 Compression test specimen

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備屬于開(kāi)放式成型設(shè)備，環(huán)境的變化會(huì)對(duì)成型試件產(chǎn)生影響，在實(shí)驗(yàn)時(shí)需盡量保持封閉的室內(nèi)環(huán)境，減少因環(huán)境因素帶來(lái)的誤差；由于影響試件拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度的工藝因素并不相同，所以為了比較超聲波振動(dòng)和熱床溫度對(duì)拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度的影響程度，分別制出拉伸試件和壓縮試件；在本實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前進(jìn)行了預(yù)備實(shí)驗(yàn)，對(duì)層高、噴頭溫度、成型速度等參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)并測(cè)試，最終將力學(xué)性能最優(yōu)的一組參數(shù)作為本實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組；此外，為減少誤差的產(chǎn)生，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用同一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備在同一位置成型，且每組數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)3次，最終排除粗大誤差取平均值，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

力學(xué)性能測(cè)試：按照GB 1040.2—2006測(cè)試樣品拉伸性能，拉伸速率為100 mm/min；按照GB/T 1041—2008測(cè)試樣品壓縮性能，壓縮速率為10 mm/min，當(dāng)壓縮變形量達(dá)15 mm時(shí)實(shí)驗(yàn)停止；

形貌分析：將不同實(shí)驗(yàn)條件的拉伸試件截面切成絲狀，噴金后用SEM進(jìn)行觀察，分析超聲波振動(dòng)對(duì)試件微觀結(jié)構(gòu)的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 超聲波振動(dòng)對(duì)材料拉伸性能的影響

通過(guò)前期預(yù)備實(shí)驗(yàn)，得到最優(yōu)成型參數(shù)為，層高0.1 mm、填充密度30 W、填充夾角45°、噴頭溫度215℃、熱床溫度70℃。為了研究不同超聲波功率對(duì)PETG熔融沉積成型試件拉伸性能的影響，這些工藝參數(shù)保持不變［7‐8］。

超聲振動(dòng)在試件制備過(guò)程中可以使材料在冷卻過(guò)程中更為均勻分布在熱床上，但超聲波振動(dòng)會(huì)對(duì)試件的附著產(chǎn)生較大影響，當(dāng)超聲波功率超過(guò)30 W時(shí)，在成型過(guò)程中試件會(huì)發(fā)生翹曲。這是由于材料在沉積過(guò)程中受到超聲波振動(dòng)因素的影響，附著在加熱平臺(tái)上時(shí)會(huì)出現(xiàn)附著不牢固現(xiàn)象，冷卻凝固的試件與加熱平臺(tái)間出現(xiàn)縫隙，由于受到持續(xù)超聲波振動(dòng)，縫隙變得越來(lái)越大，加之上層材料在冷卻時(shí)會(huì)向內(nèi)輕微收縮，這就導(dǎo)致試件在邊角處發(fā)生翹曲［9］（圖4）。試件體積越大，每層材料冷卻時(shí)受到振動(dòng)的周期越長(zhǎng)，翹曲現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致無(wú)法成型出合格試件。

圖4 拉伸試件翹曲Fig.4 Warpage of tensile specimen

基于此現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)在超聲波功率不超過(guò)30 W的條件下進(jìn)行，通過(guò)對(duì)比不同工藝參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終得出提高拉伸強(qiáng)度最有效的方案。從表1可以看出，隨著超聲波功率的增加試件拉伸強(qiáng)度總體呈上升趨勢(shì)，超聲波功率從零上升到6 W時(shí)，拉伸強(qiáng)度增加2.33%，相比于改變對(duì)照組中的其他參數(shù)，超聲波功率的提升效果較為明顯。增強(qiáng)效果最顯著的是超聲波功率從12 W增加到18 W，以及從24 W增加到30 W這2個(gè)區(qū)間，分別增加6.66%和6.34%。證明當(dāng)超聲波功率達(dá)到18 W和30 W時(shí)，對(duì)拉伸強(qiáng)度影響最大，功率達(dá)到30 W時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值。

表1 試件的拉伸強(qiáng)度Tab.1 Tensile strength of the specimens

2.1.2 熱床溫度對(duì)拉伸性能的影響

熱床的作用是減緩從噴頭擠出的處于熔融狀態(tài)的材料冷卻速度，PETG在冷卻時(shí)會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，若冷卻過(guò)快就會(huì)導(dǎo)致底層材料收縮率較高，與底板粘貼不牢固，且在成型過(guò)程中每一層熔融狀材料在冷卻時(shí)都會(huì)產(chǎn)生收縮力，多層收縮力經(jīng)過(guò)疊加后就會(huì)呈現(xiàn)邊緣翹曲現(xiàn)象。由于環(huán)境溫度較低，在實(shí)驗(yàn)時(shí)熱床溫度低于60℃時(shí)試件就會(huì)出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，且隨著溫度的降低翹曲現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)整個(gè)試件脫離熱床平臺(tái)的現(xiàn)象［10］。但熱床溫度并非越高越有利于成型，當(dāng)熱床溫度高于70℃時(shí)，由于PETG材料具有熔沸點(diǎn)較低的特性，熱床溫度過(guò)高時(shí)PETG冷卻速度過(guò)慢。當(dāng)下層材料還未完全冷卻時(shí)，上層材料已經(jīng)疊加到下層材料上，這就導(dǎo)致下層材料接觸到新熱量溫度升高，兩層材料疊加后冷卻速度變慢。下層材料由于未完全冷卻凝固，經(jīng)過(guò)上層材料的擠壓后發(fā)生變形，從而對(duì)拉伸強(qiáng)度造成影響。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)熱床溫度從60℃上升到65℃過(guò)程中，拉伸強(qiáng)度提高了2.96%，提升效果不顯著。但從65℃到70℃的這個(gè)區(qū)間，拉伸強(qiáng)度提升了13.68%。但當(dāng)溫度再提高5℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度并沒(méi)有沿上升趨勢(shì)繼續(xù)增加反而下降了3.16%。這說(shuō)明當(dāng)熱床溫度超過(guò)70℃時(shí)，材料冷卻速度便會(huì)開(kāi)始減緩，導(dǎo)致整個(gè)試件拉伸強(qiáng)度下降。但從總體來(lái)看，熱床溫度較高的試件拉伸強(qiáng)度比熱床溫度較低的拉伸強(qiáng)度高，說(shuō)明試件因冷卻收縮產(chǎn)生的收縮力對(duì)試件拉伸強(qiáng)度影響較大。

表2 試件的拉伸強(qiáng)度Tab.2 Tensile strength of the specimens

2.2 壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 超聲波振動(dòng)對(duì)材料壓縮性能的影響

為了探究超聲振動(dòng)對(duì)PETG試樣壓縮強(qiáng)度的影響，選擇對(duì)照組工藝參數(shù)為：熱床溫度70℃、層高0.1 mm、填充密度60%、填充夾角45°。超聲振動(dòng)可使壓縮試件結(jié)合面間的分子相互結(jié)合更緊密，層與層之間黏度更強(qiáng)，這減少了層與層之間的空隙，使其可壓縮性減小，在壓縮時(shí)需要施加更大的力才能使試件發(fā)生形變，超聲振動(dòng)后的壓縮試件顯得更緊密。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，加入超聲波振動(dòng)可使壓縮強(qiáng)度增加，當(dāng)功率從零增加到6 W時(shí)，壓縮強(qiáng)度增加3.96%，提升效果比拉伸強(qiáng)度高。當(dāng)再增加6 W功率時(shí)，壓縮強(qiáng)度會(huì)提升11.90%，提升效果顯著。當(dāng)超聲波功率繼續(xù)提升時(shí)，壓縮強(qiáng)度又緩慢下降，說(shuō)明當(dāng)超聲波功率達(dá)到12 W時(shí)，壓縮強(qiáng)度提升效果最顯著。由此說(shuō)明超聲波功率并非越高越好，當(dāng)超聲波功率過(guò)高時(shí)，由于振動(dòng)過(guò)大導(dǎo)致底層與熱床黏性不足，從而導(dǎo)致每1層材料在冷卻收縮時(shí)所產(chǎn)生的收縮力得不到抵消，影響了各層凝固形狀，出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象（如圖5所示）。但從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，有超聲振動(dòng)相比于無(wú)超聲振動(dòng)，壓縮強(qiáng)度要高，說(shuō)明超聲振動(dòng)同樣可以提高壓縮強(qiáng)度。與拉伸強(qiáng)度不同，PETG的壓縮特性不會(huì)隨著超聲波功率的提高而一直提高。

表3 試件的壓縮強(qiáng)度Tab.3 Compression strength of the specimens

圖5 壓縮試件翹曲Fig.5 Warpage of the compression specimen

2.2.2 熱床溫度對(duì)壓縮性能的影響

從表4可以看出，熱床溫度在60～70℃之間時(shí)，壓縮強(qiáng)度隨熱床溫度的增大而增大，在70℃達(dá)到峰值，當(dāng)熱床溫度大于70℃時(shí)，試件壓縮強(qiáng)度開(kāi)始下降。這說(shuō)明當(dāng)熱床溫度高于70℃時(shí)，材料冷卻速度過(guò)慢，每層材料間互相擠壓變形，壓縮強(qiáng)度下降。熱床溫度從65℃上升到70℃時(shí)，壓縮強(qiáng)度提升最大為3.88%，這時(shí)的熱床溫度使材料的冷卻速度達(dá)到最佳狀態(tài)，在材料冷卻時(shí)層與層的黏結(jié)效果最好。

表4 試件的壓縮強(qiáng)度Tab.4 Compression strength of the specimens

相比于拉伸強(qiáng)度，熱床溫度對(duì)壓縮強(qiáng)度提升效果不顯著。這主要受試樣形狀的影響，拉伸試樣模型長(zhǎng)度較長(zhǎng)、表面積較大，在成型時(shí)層與層之間成型時(shí)間間隔較長(zhǎng)，這有利于每一層材料得到充分冷卻層與層之間黏結(jié)效果較好，在拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，試樣受到拉力后會(huì)出現(xiàn)變形收縮現(xiàn)象，在輕微收縮后截面強(qiáng)度得到增強(qiáng)，故提升效果較明顯。此外，壓縮試樣為正方體，材料在同等溫度下沉積時(shí)受到重力影響層與層間的黏結(jié)較好，熱床溫度的改變并不能使壓縮強(qiáng)度產(chǎn)生更顯著的變化。

2.3 形貌分析

斷面SEM照片如圖6所示。對(duì)比圖6（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)，受到超聲波振動(dòng)的熔融材料在沉積成型時(shí)，振動(dòng)使每一層材料都更加均勻地附著在下層材料上，這不僅使每一層材料都更加致密，且使層與層間的黏結(jié)更緊密，拉伸強(qiáng)度由此增加。對(duì)比圖6（c）和（d）及圖6（e）和（f）可以看出，加入超聲波振動(dòng)后，材料的斷面更光滑，且受到拉伸后出現(xiàn)裂紋數(shù)目較少。在無(wú)超聲振動(dòng)的情況下，材料受拉伸呈現(xiàn)出撕裂狀斷面，且斷面更粗糙并伴隨少量殘余凸起。這是由于層與層間的黏結(jié)不牢導(dǎo)致，無(wú)超聲波振動(dòng)，層間距縫隙更大，在拉伸時(shí)容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。超聲波振動(dòng)可使分子鏈間相互纏結(jié)更緊密，在出現(xiàn)滑移時(shí)，致密的分子結(jié)構(gòu)不易被破壞，拉伸強(qiáng)度更高。

圖6 拉伸試件斷面的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of the tensile specimen section

從以上分析可以得出，超聲波和熱床都可以使聚合物熔體溫度升高，黏度降低，便于層與層材料的黏結(jié)融合，但有所不同的是，超聲波振動(dòng)可改變聚合物層與層間的滲透深度和分子鏈纏結(jié)程度，從而相比于熱床溫度更能提高試件的拉伸強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）在僅改變超聲波功率的情況下，拉伸強(qiáng)度最大能達(dá)到14.63 MPa，相比于無(wú)超聲波振動(dòng)拉伸強(qiáng)度提高22.53%；壓縮強(qiáng)度最高達(dá)到了25.808 MPa，相比無(wú)超聲波振動(dòng)壓縮強(qiáng)度提高16.33%；超聲波振動(dòng)對(duì)提高材料拉伸強(qiáng)度效果更顯著；

（2）在僅改變熱床溫度的情況下，拉伸強(qiáng)度最大達(dá)到14.63 MPa，相比于60℃拉伸強(qiáng)度提高17.04%，壓縮強(qiáng)度最大達(dá)到22.185 MPa，相比于60℃壓縮強(qiáng)度提高6.72%；熱床溫度對(duì)提高材料拉伸強(qiáng)度比壓縮強(qiáng)度更顯著；

（3）這2種影響因素更傾向于提高PETG材料的拉伸強(qiáng)度，而超聲波振動(dòng)相對(duì)于熱床溫度提高材料力學(xué)性能影響效果更顯著。