基于FDM聚乳酸3D打印材料的工艺性能研究.pdf

第4 4卷第 2期 2 0 1 6年 2月 塑料工业 CHI NA P L AS C S I N DUS T RY 6 7 基于 F D M 聚乳酸 3 D打印材料的工艺性能研究 金泽枫 ，金杨福 ，周密 ， ( 1 浙江工业大学材料学院，浙江 杭州 3 1 0 0 0 0 ；2 马学所 ，周庭震 ，钱欣 杭州曦茂新材料科技有限公司，浙江 杭州 3 1 0 0 0 0 ) 摘要 ：通过熔融共混法制备了聚乳酸3 D打印材料，通过对打印温度 、打印精度、打印填充度等打印工艺参数的 调节 ，探究了打印工艺对打 印制 品力学性 能的影 响。结 果表明 ，打印温度对制 品性能存在最佳值 ，打 印精度在影 响力 学性能的同时还决定着制品的表观性能，打印填充度对制品的力学性能影响最大 ；在最优的打印条件下，打印材料与 母体材料拉伸强度之比大于0 7 7 ，表明该 3 D打印材料具有较好的打印工艺性。 关键词 ：3 D打印 ；熔融沉积造型技术 ；聚乳酸 ；打 印工艺 d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 - 5 7 7 0 2 0 1 6 0 2 0 1 7 中图分类号：T Q 3 2 0 6 3 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 5 5 7 7 0( 2 0 1 6 )0 2 0 0 6 7 - 0 4 Re s e a r c h o f Pr o c e s s i ng Pr o pe r t y o f PLA M a t e r i a l s f o r 3 D Pr i nt i n g Ba s e d o n FDM J I N Z e f e n g ，J I N Y a n g f u ，Z H O U Mi ，M A X u e S U O 。 ，Z HO U T i n g z h e n g ，Q I A N X i n 。 ( 1 Ma t e r i a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r I n s t i t u t e ，Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，H a n g z h o u 3 1 0 0 0 0，C h i n a ； 2 H a n g z h o u S e e mo r e N e w Ma t e r i a l T e c h n o l o g y C o ，L t d ，H a n g z h o u 3 1 0 0 0 0，C h i n a ) Abs t r a c t ： I n t h i s p a pe r， t h e p o l y l a c t i c a c i d ma t e r i a l f o r 3 D p r i n t i n g wa s p r e p a r e d b y me l t b l e n d i n g T h e e f f e c t s o f p ri n t i n g p r o c e s s o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e p r o d u c t s w e r e s t u d i e d b y t h e a d j u s t me n t o f p rin t i n g t e mpe r a t u r e， p rin t i n g a c c u r a c y a n d t he d e g r e e o f f i l l i n g Th e r e s u l t s s h o w t h a t ： t h e r e i s a b e s t p rin t i n g t e mpe r a t u r e for t h e p r o p e r t i e s o f t h e pr o du c t s； t h e p r i n t i ng a c c ur a c y i n flu e nc e s t h e me c h a ni c a l a n d s u r f a c e p r o p e rti e s o f t h e p r o du c t s， t h e d e g r e e o f f i l l i n g i s t h e b i g g e s t i n fl ue nc e o n t h e me c ha n i c a l pr o p e r t i e s o f t he p r o d uc t s T he r a t i o o f t he t e ns i l e s t r e n g t h be t we e n p r i n i n g p r o d uc t s a n d t h e r a w ma t e r i a l wa s g r e a t e r t h a n 0 7 7 u n d e r t h e b e s t p rin t i n g c o n d i t i o n s， wh i c h i n d i c a t e s t h a t t he 3 D p r i n t i n g ma t e ria l ha s g o o d p r i n t i n g p r o c e s s i n g pr o p e rty Ke y wo r d s： 3 D Prin t i n g； F us e d De p o s i t i o n Mo d e l i n g； P o l y l a c t i c Ac i d； Prin t i n g Te c h n o l o g y 熔融沉积造 型技术 ( F D M) 由 S t r a t a s y s公 司 主 席 C r u m p S在 1 9 8 8年发 明 ，它是将 聚合物细丝送 到打印机喷头中，在喷头 中的细丝被加热熔融并定量 挤出 ，通过熔体细丝之间的堆积 、冷却后形成打印的 制品 J 。F D M作为 目前 3 D打印技术中最广泛应用 的 技术 ，具有打印设备价格低 、打印材料品种多、打印 原料利用率高 、打印过程材料无化学变化等优点。 F D M打印产品使用性能不 同，需要有不 同性能 的打印材料去匹配 ，常用的 F D M 打印的材料有丙烯 腈一 丁二烯一 苯 乙烯 ( A B S ) 、聚乳酸 ( P L A) 、聚碳 酸酯 ( P C)等，其 中 P L A凭借其不俗的力学性 能和 可降解性能在 F D M方面得到越来越广泛的应用 。 近年 3 D打印工艺作为影响打印制品质量的主要 因素受到关注 ，L e e等 研 究 了 F D M 打印制 品的各 向拉伸强度 ；L e e等 以 A B S为原料对 F D M 成型的 加工参数进行 了研 究 ，表 明打 印轨迹 为 3 0 。 、6 0 。 交 叉 ，打印轨迹间隙为 0 6 6 5 m m，层厚 0 1 7 8 mm时打 印出的 A B S制品具有较好 的性 能；R a u t 等 J 也研究 了打印轨迹对打 印制 品机 械性能和打印耗材量 的影 响。 目前针对 P L A打印材料 的打印工艺研究鲜有 报 道 ，本文基于改性聚乳酸 3 D打印材料 ，研究 了打印 工艺参数对打印制品力学性能及打印材料与母体材料 强度之比的影响。 l 实验部分 1 1 实验原料 P L A：4 0 3 2 D，美国 N a t u r e w o r k s 公司 ；聚 己二酸 对苯二 甲酸丁二酯 ( P B A T) ：2 0 0 3 F，杭 州鑫 富新 材料有限公司；相容剂 ：T MP 6 0 0 0 ，杭州曦茂新材料 通信联系人 q i a n x z j u t e d u c a 作者简介：金泽枫，男，1 9 9 0年生，硕士生，主要从事聚乳酸的改性研究。j z f s o u 1 3 6 3 4 s i n a e O iT I 6 8 塑料工业 科技有限公 司；抗氧剂 ：1 0 1 0 ，巴斯夫有限公司。 1 2 实验 仪器 双螺杆挤 出机组 ：L T E 2 0 - 4 0 ，莱伯泰科仪器股 份有限公司 ；注塑机 ：H T F 6 0 W2 ，宁波海天塑机有 限公司 ；3 D打印耗材拉丝生产线 ：S HS J 3 5 ，东莞市 松湖塑料机械股份有 限公司 ；电子万能材料试验机 ： I n s t r o n 5 9 6 6 ，美 国 I n s t r o n公司 ；仪器化摆锤 冲击试验 机 ：C E A S T 9 0 5 0，美 国 I n s t r o n公 司；3 D 打 印 机 ： E i n s t a r t S ，杭州先临三维科技股份公司。 1 3试样制备 1 )改性 P L A打印材料制备 ：将 P L A和 P B A T在 8 0 C c 真空干燥 1 2 h ，按配方计量后 ，通过双螺杆挤 出机挤出造粒 。 2 )F D M细丝制备 ：将改性 P L A打 印材料粒子经 单螺杆挤 出机拉丝得到 3 D打印线料 。 3 )注射试样制备 ：改性 P L A打印材料粒料干燥 处理后 ，经注塑成型制备试样 ；注塑温度 1 7 0、1 8 0 、 1 9 0、1 8 5 o C，注射压力 4 0 MP a 。 4 )3 D打印试样制备 ：通过 P r o E n g i n e e r 软件对 力学性能测试标准样条进行建模 ，导入 3 D打印机进 行打印。 1 4 性 能测试 拉伸性能按 G B T 1 0 4 0 -2 0 0 6标准测试 ；弯 曲性 能 按 G B T 9 3 4 1 -2 0 0 6 标 准 测 试 ； 冲 击 性 能 按 I S O 1 7 9 1 2 0 1 0标准测试 。 2 结果与讨论 2 1 打 印温 度对 打印 制品 力学性 能 的影 响 打印温度是指在打印时设定打印喷头的温度 ，通 过调节打印温度可 以控制打印过程线料的熔融状态。 图 1 a是不同温度对打印试样拉伸性 能的影响 ( 打印 精度 0 2 0 mm，打 印填充度 1 0 0 ) ，可 以看 出，打 印温度在 2 0 0 2 2 0 o C范围内，打 印试样的拉 伸强度 均随着打印温度的升高而提高 ，在 2 2 0 o C时出现最大 强度值 ，当温度超过 2 2 0 o C后试样的强度开始出现下 降 ，这是因为 ，当温度较低时 ，线料 的熔体黏度高 ， 熔融状态较差，熔丝之问的熔合强度较低 ，随着温度 的升高 ，熔丝黏度下降，熔丝之 间的融合强度改善 ， 制品的力学性能提高 ，但打印温度过高后 ，P I A 线料 出现热氧化降解 ，导致材料性能劣化 ，打印制品拉伸 性能出现下降。我们用 表示 打印试样力学 强度 与 注塑试样力学强度的比，从 图 1 a中可以看 出，材料 拉伸强度 处于 5 8 7 4 范围，打印制品的强度 是依赖于打印过程线与线 、层与层之间的熔合 ，由于 打印过程熔合压力较小 ，因此熔体的黏度就对熔合强 度至关重要 ，一般 F D M打印制品的 大于 7 0 已经 属于优秀了。图 1 b 、图 1 c 分别是打 印试样弯 曲强度 和冲击强度随打印温度的变化情况 ，可以看 出其规律 与拉伸强度随温度变化类似 ，但 值较高 ，尤其是 冲击性能的值在打印温度 2 2 0 o c时，已达到 9 4 ， 与注塑成型材料的冲击强度相近 。 打 印温度 a 一 拉伸 强度 打 印温度 b 一 弯 曲强度 c 一 冲击强度 图 1 打印温度对 制品力学性能的影响 Fi g 1 Ef f e c t o f p r i n t i n g t e mp e r a t ur e o n me c ha ni c a l p r o p e r t i e s o f t h e p r o d u c t s 2 2 打印精度对试样力学性能的影响 打印精度是指打印过程 中喷头控制出线 的直径 ， 也称为打 印层厚 ，打印精度决定建模 时对模型 的分 层 ，分层数越多 ，打印精度越高 ，但打印效率下降。 图2为 0 2 、0 1 5和 0 1 m m三种打印精度下制品的 力学性能 ( 打 印温度 2 2 0 o C，打印填充度 1 0 0 ) 。 从图中可 以看 出，精度越高 ，试样的力学性能越好 ， 但性能相差并不是很大。 第 4 4卷第 2期 金泽枫，等：基于 F D M聚乳酸 3 D打印材料的工艺性能研究 6 9 打 印精 度 mm a 一 拉伸强度 b 一 弯 曲强度 打 印精度 mm c 一 冲击强度 图 2打印精度 对制 品力 学性 能的影响 F i g 2 E f f e c t o f p r i n t i n g a c c u r a c y o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e p r o d uc t s 图 3 不 同打 印精度制 品的表 面照 片 F i g 3 S u rf a c e p r o p e rt y o f t h e p r o d u c t s wi t h d i f f e r e n t p r i n t i n g a c c u r a c y 图 3为不 同精度打印制品表面的照片 ，从照片可 以看 出，当精度为 0 2 m m时，打印样条表面有 明显 打印线条的痕迹 ，线与线之间存在明显的间隙；打印 精度为 0 1 5 m m的试样表面 已没有打 印空 隙，但还 存在打印痕迹 ，打印精度为 0 1 0 m m打 印制 品表面 致密光滑 ，打印痕迹 已不 明显 。所 以打印精度的调整 不仅可以提高打印制 品的力学性能，还可以改善打印 制品的表观 。 2 3 打印填充度对样品力学性能的影响 填充度是指打印制品内部填充 的密实程度 。图 4 为 2 0 、4 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 五个填充 度下打 印制品的力学性能 ( 打印温度 2 2 0 o C，打印精度 0 2 ra m) 。从图 中可 以看 出，随着 打 印填 充 度 的增加 ， 拉伸强度、弯曲强度和冲击强度均随之提高，且近似 呈现线性趋势显著增加。因此如作为工程制造领域应 用的 3 D打印制品一定要采用高打 印填充度 ，以保证 有足够的强度 ；但作为创意设计的模型则可 以采取较 低的填充度来节省打印时间和成本 。 a 一 拉伸强度 打 印填充 度 b 一 弯曲强度 c 一 冲击 强度 图4 打印填充度对制品力学性能的影响 F i g 4 Ef f e c t o f t h e de g r e e of f i l l i n g o n me c ha ni c a l p r o p e r t i e s o f t h e p r o d uc t s 塑料工业 3 结论 1 )打印 温 度 对 制 品 的 力 学 性 能 存 在 一 个 最 佳值 。 2 )打印精度的提高不仅可以提高打印制品力学 性能 ，同时还能够有效地改善制品的表观性能。 3 )打 印填充度 对制 品力学性 能 的影 响最 为显 著 ，近似成线性关系。 4 )该打印材料在 2 2 0 o C、打印精度 0 1 mm、填 充度 1 0 0 条件下可以得到最佳 的力学性能 ，其拉伸 强度 为 7 7 6 ，弯 曲强度 为 9 2 ，冲击强度 为 9 8 。 参考文献 1 李晓燕3 D成型技术的机理研究及过程优化 D 上 海 ：同济大学 ，2 0 0 6 2 李艺，曹东伟基于熔融沉淀快速成型原理的三维打印 关键技术研究 D 苏州：苏州大学，2 0 1 2 3 L E E C S ，K I M S G，K I M H J ，e t a 1 M e a s u r e m e n t o f a n i s o t r o p i c c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f r a p i d p r o t o t y p i n g p a rt s J J Ma t e r P r o c e s s T e c h n o l ，2 0 0 7，1 8 7 -1 8 8：6 2 7 - 6 3 0 4 L E E B H，A B D U L L A H J ，K H A N Z A O p t i m i z a t i o n o f r a p i d p r o t o t y p i n g p a r a me t e r s f o r p r o d u c t i o n o f fl e x i b l e AB S o b j e c t J J Ma t e r P r o c e s s T e c h n o l ，2 0 0 5 ，1 6 9 ：5 4 6 1 5 R A U T S ，J A T F I V K S ，K H E D K A R N K I n v e s t i g a t i o n o f t h e e f f e c t of b u i l t o r i e n t a t i o n o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d t o t a l c o s t o f F D M p a r t s J P r o c e d i a Ma t e r S c i ，2 0 1 4 ( 6 ) ：1 6 2 5 - 1 6 3 0 ( 本文于 2 0 1 5 1 0 0 8收到) L G化学 ( 重庆 )工程塑料项 目预计 2 0 1 6年 6月竣 工 日前 ，L G化学 ( 重庆 )工程塑料有 限公司 2万 t 工程塑料及塑料合金项 目在经开区开工奠基。L G化学 ( 重庆)工程塑料有限公司董事长洪愚平 、总经理洪京俊，区领导周勇 、赵世庆 、张明生 、巴川江 、谭庆 、左 永祥 、陈会明等参加奠基仪式 。 L G集团成立于 1 9 4 7年 ，业务领域涉及石油化工 、电子和通讯服务领域 ，是韩国具有代表性的跨 国集 团公 司。2 0 1 4年全球销售额约 8 1 0 0亿元 ，全球员工人数超过 2 2万人 。 L G化学是 L G集团最重要 的支柱产业之一 ，其业务范 围主要为基础材料 、信息电子材料 、光学材料 、电 池四大事业领域。L G化学 自1 9 9