邊慧光，晁宇琦，胡紀全，蔡 寧，王虎子

(青島科技大學機電工程學院，山東省高分子材料先進制造技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266061)

PLA/金屬粉末混合物對3D打印成型制品的影響

邊慧光，晁宇琦，胡紀全*，蔡 寧，王虎子

(青島科技大學機電工程學院，山東省高分子材料先進制造技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266061)

通過粉體喂料三維(3D)打印機研究了純聚乳酸(PLA)材料在3D打印過程中打印溫度以及填充密度對成型制品的影響；然后在PLA中加入不同比例的金屬粉末并制備出混合物料顆粒，通過粉體喂料3D打印機打印成型試樣制品，并進行力學性能測試。結(jié)果表明，金屬粉末含量的增加會導(dǎo)致復(fù)合材料拉伸強度的降低；此外，金屬粉末含量增加，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率會隨之升高，而膨脹系數(shù)降低。

三維打印；聚乳酸；金屬粉末；黏度；填充密度；力學性能

0 前言

3D打印技術(shù)起源于麻省理工學院，是基于離散/堆積成形原理，通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)的加工模式，被稱之為“第三次工業(yè)革命”的代表性技術(shù)[1-3]。自2013年以來，國內(nèi)媒體界、學術(shù)界、金融界也掀起了關(guān)注3D打印技術(shù)的熱潮，各級政府部門開始關(guān)注并制訂3D打印技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。澳大利亞Swinbume工業(yè)大學將鐵粉混合到尼龍中通過擠出紡絲獲得了一種由金屬 - 塑料混合絲可用于3D打印。

熔融沉積工藝快速成型制品[4]，其工藝流程復(fù)雜，金屬粉末含量不能太多，否則擠出紡絲后在成型過程中易折斷，導(dǎo)致成型失敗。

本文采用青島科技大學汪傳生、邊慧光教授等研發(fā)的粉體喂料3D打印機(如圖1所示)[5]，首先對純PLA材料在不同打印溫度和填充密度的條件下打印成型的試樣進行力學性能測試，其中打印溫度的影響主要是由于溫度對PLA材料黏度的影響而導(dǎo)致最終制品性能的好壞。然后通過添加金屬粉末來改善PLA材料的力學性能，通過最終的實驗研究得到了金屬粉末對打印制品的拉伸強度及其熱導(dǎo)率的影響。

圖1 粉體喂料3D打印機設(shè)備總裝圖Fig.1 Assembly of the powder feeding 3D printer

1 實驗部分

1.1 主要原料

PLA顆粒，NatureWorks 2003 D，美國NatureWorks公司；

金屬粉末，30 μm的316L不銹鋼粉末，OOCr17Ni14Mo2，所用316L金屬粉末的組分及粒度等列于表1，長沙天久金屬材料有限公司。

表1 不銹鋼金屬粉末各組分含量Tab.1 Stainless steel metal powder content of each component

1.2 主要設(shè)備及儀器

粉體喂料3D打印機，QUST-350，青島科技大學；

破碎機，ZRPC-300，寧波中瑞陽塑料機械有限公司；

冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)，JSM-6700F，日本電子株式會社；

形變場分析儀，TMA-Q400EM，美國TA公司；

差示掃描熱量儀(DSC)，DSC-Q1000，美國TA公司；

閃光法導(dǎo)熱分析儀，LFA447-Nanoflash，德國Netzsch公司；

同步熱分析儀，STA449 F3，德國Netzsch公司；

微機控制電子萬能材料試驗機，HY-10080，上海衡翼精密儀器有限公司。

1.3 樣品制備

PLA/金屬粉末混合物料的制備：分別將10 %、20 %和30 %的316L金屬粉末與純PLA通過開煉機進行混合，溫度為170 ℃，然后再將得到的混合物料用粉碎機進行粉碎，得到顆粒大小均勻的粒料；最后通過粉體喂料3D打印機打印實驗樣條：打印溫度為170 ℃，擠出速度為6 r/min；

純PLA在不同填充密度下的拉伸試樣：填充密度會影響最終產(chǎn)品的特性的打印參數(shù)之一，它決定了材料的用于制造制品所需耗材的用量，因此，填充密度對打印成品的時間及強度有著密切的關(guān)系；在本次實驗中，通過填充密度來觀察其對打印成型制品拉伸強度的影響，其方法是將其填充密度設(shè)置為20 %、40 %、60 %、80 %，通過拉伸試驗來研究填充密度對于打印試樣樣條拉伸強度的影響；

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

純PLA在不同溫度下的黏度測試：當PLA加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)時，它呈現(xiàn)出一個超高黏度材料的特征[6]，高黏度材料被認為是不可壓縮牛頓流體，它們表現(xiàn)出層流通過一個有持續(xù)的圓形截面噴嘴，其橫截面遠遠超過其直徑，基于這些假設(shè)，PLA在特定溫度下的黏度，可以通過一個噴嘴擠壓，然后通過Hagen-Poiseuille方程計算：

(1)

式中Q——體積流量，m3/s

r——管的內(nèi)部半徑

ΔP——兩端之間的壓力差，MPa

L——管的長度

μ——動態(tài)流體黏度，Pa·s

通過測量材料的體積流量及壓力差，根據(jù)式(1)可以計算出PLA的黏度范圍為322.7～334.2 Pa·s，該體積流量是在165～180 ℃溫度內(nèi)測得的，不同打印溫度下計算PLA的黏度值是為了觀察PLA的黏度對最終產(chǎn)品的拉伸性能的影響；

拉伸性能按照GB/T 228—2002進行測試，測試速度設(shè)置為30 mm/min，測試樣條的具體尺寸如圖2所示，對樣本剖切面的微觀結(jié)構(gòu)進行分析以便觀察金屬粉末對拉伸性能的影響，圖3為打印的拉伸試樣實體圖；

圖2 拉伸實驗樣條Fig.2 Stretch test splines

圖3 拉伸試樣實體圖Fig.3 Tensile specimen solids

通過形變場分析儀和DSC對3D打印樣條進行熱性能測試，樣品尺寸為：10 mm×10 mm×1 mm；

采用閃光法導(dǎo)熱分析儀測得試樣的熱導(dǎo)率，將試樣用石墨噴涂，將其工作溫度設(shè)置為(25±0.5) ℃，當紅外探測器測量樣品的上表面的溫度上升時，化學閃光燈在試樣下表面會發(fā)射一個脈沖信號，通過收集并處理這些數(shù)據(jù)利用式(2)來計算樣本的熱擴散率。

k=αρCP

(2)

式中k——熱導(dǎo)率，W/(m·K)

α——熱擴散率，mm2/s

ρ——材料密度，g/cm3

CP——比熱容，J/(g·℃)

2 結(jié)果與討論

2.1 純PLA材料性能測試結(jié)果及分析

2.1.1 黏度對拉伸性能的影響

根據(jù)圖3可知，PLA的熔融溫度為207 ℃，通常Tg是熔融溫度的80 %，因此，其Tg約為165.6 ℃。

圖4 PLA的DSC曲線Fig.4 DSC curve of PLA

由圖5和表2可知，體積流量隨溫度的增加而增加，在表中所示溫度范圍內(nèi)，體積流量速率從1.79×10-9m3/s增加到3.34×10-9m3/s。因此，可以從這些數(shù)據(jù)得出PLA的黏度隨著溫度的升高而降低。

PLA在不同溫度下的黏度可以通過體積流量速率和Hagen-Poiseuille方程計算得出，其中參數(shù)值：噴嘴半徑(r)為0.8 mm，噴嘴長度(L)為22 mm和壓差為6.7×107MPa。如圖5和表2所示，當溫度從170 ℃變化到185 ℃，PLA的黏度從357 Pa·s下降到162 Pa·s。

圖5 PLA黏度隨溫度變化的曲線Fig.5 Viscosity of PLA versus temperature curve

溫度/℃體積流量/×10-9m3·s-1黏度/Pa·s1701.793571752.282861802.852131853.34162

由圖6可知，隨著溫度的升高,PLA的拉伸強度也增大，由此可以推論出低溫層的黏度比高溫層的黏度要低，由此導(dǎo)致3D打印出來的試樣的拉伸強度隨著溫度的升高而增大。這個結(jié)論與圖5所得PLA的黏度隨著溫度升高而降低的結(jié)論相符合。

溫度/℃：1—170 2—175 3—180 4—185圖6 PLA在不同溫度下的拉伸強度曲線Fig.6 Tensile strength of PLA at different temperature

2.1.2 填充密度對拉伸性能的影響

用PLA材料通過粉體喂料3D打印機打印成型不同填充密度的試樣進行拉伸強度測試，得到如圖7所示的測試結(jié)果。在這種情況下可以看出，隨著填充密度增加，拉伸應(yīng)力也增加。即用20 %的填充密度打印的試樣比用更高的填充密度打印的試樣更脆；另一方面，與拉伸應(yīng)力的情況不同，隨著填充密度的增加，拉伸應(yīng)變并沒有提高。當用60 %填充密度打印試樣時，有最高拉伸應(yīng)變，因此其韌性最好。從而得出60 %的填充密度3D打印產(chǎn)品延展性較高。這證實了填充密度在3D打印結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要的作用。

填充密度/%：1—20 2—40 3—60 4—80圖7 PLA在不同填充密度下的拉伸強度曲線Fig.7 Tensile strength of PLA at different packing densities

2.2 金屬粉末含量對力學性能的影響結(jié)果及分析

2.2.1 金屬粉末含量對拉伸性能的影響

由圖8和表3可知，PLA在沒有316 L金屬粉末的情況下，拉伸應(yīng)力為43.3 MPa，當316 L含量從10 %提高到30 %，拉應(yīng)力從39.7 MPa降低到23.6 MPa，而拉伸應(yīng)變也隨之降低了；因此，可以得出樣條的拉伸強度會隨著金屬含量的增加而降低。其主要原因是隨著金屬含量的增加，打印出來的樣條的孔隙也會增加，導(dǎo)致了層之間有較低的黏合力。因此，可以得知PLA基體中的316 L金屬粉末干擾了層之間的黏合力，這就是PLA/10 %金屬粉末的拉伸強度比PLA/30 %316 L大的原因。

金屬粉末含量/%：1—30 2—20 3—10 4—0圖8 PLA/金屬粉末的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curve of PLA/metal 316 L

2.2.2 金屬粉末含量對熱導(dǎo)率的影響

圖9 PLA/金屬粉末復(fù)合材料的熱導(dǎo)率Fig.9 Thermal conductivity curve of PLA-316 L metal mixture

如圖9所示，PLA中的316 L金屬含量從零增加到30 %時，熱導(dǎo)率從0.642 W/m·K上升到0.862 W/m·K。因此，這種使用金屬粉末來改善材料熱導(dǎo)率從而降低材料熱膨脹系數(shù)的方法將會在3D打印行業(yè)中發(fā)揮著重要作用，可以通過該方法來改善產(chǎn)品的變形問題，最終獲得精度較高的大型制品。

3 結(jié)論

(1)不同溫度下，PLA的黏度與打印溫度以及拉伸強度之間有著密切的聯(lián)系，PLA的黏度在擠出成型過程中會影響最終產(chǎn)品的拉伸性能，即PLA的黏度降低，則打印出來的產(chǎn)品的拉伸強度和應(yīng)變也隨之減?。?/p>

(2)在打印過程中，打印時預(yù)設(shè)的填充密度也影響著打印產(chǎn)品的拉伸性能，即隨著填充密度的升高，拉伸強度降低；當填充密度為60 %時，成型制品具有最較高的延展性，因此可根據(jù)成型制品的要求來選擇相應(yīng)的打印參數(shù)；

(3)隨著金屬粉末含量的增加，復(fù)合材料的拉伸應(yīng)變和壓力都會降低，而材料的熱導(dǎo)率提高，熱膨脹系數(shù)降低，使成型制品的變形減小。

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EffectofPLA/MetalPowderMixtureon3DPrintedProducts

BIAN Huiguang, CHAO Yuqi, HU Jiquan*, CAI Ning, WANG Huzi

(Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology of Polymer Materials in Shandong Province, College of Electromechanical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China)

Effects of printing temperature and filling density on molded parts are studied by powder feed of poly(lactic acid) (PLA) in 3D printing process. For preparation of the 3D printing materials, PLA was mixed with different amounts of metal powders for the 3D printing molding process, and the mechanical performance of the molded specimens were measured. Experimental results indicated that increase of contents of the metal powder led to a decrease in tensile strength of the composite materials. In addition, thermal conductivity of the composite material was improved with an increase of the content of the metal powders, but the material expansion coefficient was reduced. This study provides a solution for the deformation problems of large parts in the 3D printing process.

three dimensional printing; polylactic acid; metal powder; viscosity; filling density; mechanical property

TQ321

B

1001-9278(2017)10-0078-05

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.10.014

2017-05-31

*聯(lián)系人，hjqqust@163.com