王琛，蔣旻翰

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210037)

3D打印是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)、三維數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用可粘合材料，通過分層加工、迭加成形方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，已在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造的得力工具[1]。熔融沉積3D打印是目前普及度最高的3D打印工藝，因其成型原理簡(jiǎn)單、成型效率高、設(shè)備及材料成本低等特點(diǎn)，受到不少模型愛好者、設(shè)計(jì)師和創(chuàng)客們的青睞[2]。熔融沉積3D打印的原料通常為熱塑性高分子材料，包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚酯、聚碳酸酯等[3]。由于熔融沉積3D打印在進(jìn)行切片處理時(shí)，三維實(shí)體模型是通過片層輪廓線的形式來進(jìn)行描述的，片層輪廓線形狀的不同以及相鄰片層之間的高度差造成了模型堆積時(shí)的“臺(tái)階狀”波紋，也被稱為“臺(tái)階效應(yīng)”[4]。

模型表面處理是對(duì)3D打印成型件進(jìn)行打磨和修飾的過程，ABS成型件表面處理的關(guān)鍵是對(duì)模型的“臺(tái)階狀”波紋進(jìn)行處理，常用機(jī)械打磨法、補(bǔ)土法和化學(xué)處理法[5]。其中化學(xué)處理法包含三種常用方式：冷蒸汽處理方式、熱蒸汽處理方式和浸泡處理方式[6]。冷蒸汽處理速度較慢，表面處理效果不明顯；熱蒸汽處理容易產(chǎn)生過量的丙酮蒸汽，人體吸入后易造成傷害；浸泡處理速度較快，表面處理效果明顯，同時(shí)減少了丙酮蒸汽的產(chǎn)生[7]。丙酮浸泡處理的原理基于高分子聚合物相似相容原理和高分子物理中的溶解度參數(shù)理論[8]。根據(jù)高分子聚合物相似相容原理，極性分子間存在電性作用，使得極性分子組成的溶質(zhì)易溶于極性分子組成的溶劑，難溶于非極性分子組成的溶劑[9]。ABS樹脂中含有極性基團(tuán)—CN(氰基)，是極性溶質(zhì)。丙酮中含有極性基團(tuán)—CH3(甲基)和—CO(酮羰基)，是極性溶劑[10]。兩者極性相似，因此兩者易溶；根據(jù)高分子物理中的溶解度參數(shù)理論，溶劑和溶質(zhì)的溶解度參數(shù)接近時(shí)，其溶解性最好[11]。丙酮的溶解度參數(shù)值為9.8 (cal/cm3)1/2，ABS樹脂的溶解度參數(shù)值為9.6-11.4 (cal/cm3)1/2。丙酮與ABS樹脂的溶解度參數(shù)值接近，因此兩者易溶。利用良好的相溶性，丙酮可快速溶解ABS成型件的表層材料，通過打破高分子聚合物鏈之間的次級(jí)鍵，使鏈-鏈彼此流動(dòng)到更穩(wěn)定的位置[12]。從而使“臺(tái)階狀”波紋的波峰降低、波谷填平，減小了相鄰“臺(tái)階”的間隙[13]。

丙酮浸泡處理作為ABS成型件最快速直接的表面處理方法，具有安全高效等特點(diǎn)，但丙酮浸泡處理的過程難于控制，丙酮溶液的濃度和浸泡時(shí)間是影響丙酮浸泡處理效果的關(guān)鍵因素[14]。筆者通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)不同溶液濃度和浸泡時(shí)間條件下，丙酮浸泡處理ABS成型件的表面質(zhì)量和光澤度進(jìn)行測(cè)試分析、總結(jié)規(guī)律，為丙酮浸泡處理在ABS成型件表面處理中的有效應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

ABS打印絲：桌面級(jí)3D打印絲，1.75 mm，昆山市奇跡三維科技有限公司；

丙酮溶液：濃度99%，燕山石化有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

電子精密天平：SECURA2102-1CN型，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司；

3D打印機(jī)：Hi-Xi型，南京寶巖自動(dòng)化科技有限公司；

表面粗糙度測(cè)試儀：JB-4C型，上海泰明光學(xué)儀器有限公司；

表面光澤度測(cè)試儀：HG268型，深圳三恩時(shí)科技有限公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9145A型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.3 試件設(shè)計(jì)與制作

熔融沉積3D打印表面處理的關(guān)鍵是對(duì)模型的“臺(tái)階狀”波紋進(jìn)行處理。針對(duì)此問題，在Solid Works軟件中設(shè)計(jì)如圖1a所示的斜四棱柱試件。斜四棱柱中，兩相鄰邊線的長(zhǎng)度a=b=30 mm，高度h=25.98 mm，斜四棱柱側(cè)面與水平面的夾角θ為60°，此夾角能更好凸顯其側(cè)面的“臺(tái)階狀”波紋，有利于對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

使用Hi-Xi型桌面級(jí)熔融沉積3D打印機(jī)(如圖1b)，打印材料透用1.75 mm ABS打印絲，擠出頭溫度設(shè)置為220°，打印機(jī)層高設(shè)置為0.1 mm。

圖1 斜四棱柱試件和桌面級(jí)3D打印機(jī)

1.4 性能測(cè)試

表面粗糙度測(cè)試：使用表面粗糙度測(cè)試儀對(duì)浸泡處理后的試件進(jìn)行表面粗糙度測(cè)試，透取具有代表性的參數(shù)Ra(輪廓的算術(shù)平均差)作為評(píng)價(jià)ABS成型件表面粗糙程度的主要參數(shù)[15]。

表面光澤度測(cè)試：使用HG268型表面光澤度測(cè)試儀對(duì)浸泡處理后的試件進(jìn)行表面光澤度測(cè)試，透用60°入射角的測(cè)量數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)ABS成型件表面光澤度的主要參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 丙酮溶液濃度對(duì)成型件表面質(zhì)量及光澤度影響

為研究丙酮溶液濃度對(duì)ABS成型件表面質(zhì)量及光澤度的影響，首先進(jìn)行丙酮溶液濃度預(yù)實(shí)驗(yàn)。配 制10%，20%，30%，40%、50%，60%，70%，80%，90%共9種濃度的丙酮溶液各20 mL，取9種濃度的丙酮溶液各10 mL分別倒入9個(gè)玻璃培養(yǎng)皿中(培養(yǎng)皿規(guī)格為90 mm)，使丙酮溶液液面高出培養(yǎng)皿內(nèi)底面約2 mm。分別將9組ABS成型件的待處理表面浸入裝有各濃度丙酮溶液的培養(yǎng)皿中(試件浸入狀態(tài)如圖2所示)，蓋上培養(yǎng)皿的上蓋，以防止丙酮揮發(fā)。實(shí)驗(yàn)過程中，分別觀察9組試件的浸泡反應(yīng)狀況，并在浸泡300 s時(shí)，取出所有試件。置于烘箱中烘干后，觀察9組試件的表面狀況，測(cè)量其浸泡表面的粗糙度值與光澤度值，進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)見表1。從表1分析可知，60%以下濃度的丙酮溶液與ABS成型件的浸泡表面幾乎無(wú)反應(yīng)，浸泡后取出的試件，直接觀察其浸泡表面幾乎沒有變化，測(cè)量浸泡表面得到的粗糙度值與光澤度值的變化都很小。當(dāng)溶液濃度≥60%時(shí)，丙酮溶液與ABS成型件浸泡表面發(fā)生可見反應(yīng)，浸泡過程中有少量氣泡產(chǎn)生，浸泡后取出的試件，直接觀察其浸泡表面光澤度增強(qiáng)，測(cè)量浸泡表面得到的粗糙度值與光澤度值產(chǎn)生變化。當(dāng)溶液濃度≥90%時(shí)，丙酮溶液與ABS成型件浸泡表面發(fā)生明顯反應(yīng)，浸泡過程有較多氣泡產(chǎn)生并有少量塑料溶解，浸泡后取出的試件，直接觀察其浸泡表面光滑锃亮，測(cè)量浸泡表面得到的粗糙度值與光澤度值產(chǎn)生明顯變化。

圖2 試件浸入狀態(tài)

表1 預(yù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比表

通過預(yù)實(shí)驗(yàn)分析，將丙酮溶液濃度值分為三段范圍：中低濃度(濃度＜60%)、中高濃度(60%≤濃度＜90%)和高濃度(濃度≥90%)。由于中低濃度(濃度＜60%)丙酮溶液與ABS成型件的浸泡表面幾乎無(wú)反應(yīng)，不適用于對(duì)ABS成型件進(jìn)行表面處理。因此，對(duì)中高濃度(60%≤濃度＜90%)和高濃度(濃度≥90%)丙酮溶液浸泡處理的ABS成型件繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2.2 中高濃度丙酮溶液浸泡時(shí)間對(duì)成型件表面質(zhì)量及光澤度的影響

研究中高濃度丙酮溶液(60%≤濃度＜90%)對(duì)ABS成型件的表面質(zhì)量及光澤度的影響，配制濃度為75%的丙酮溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并取兩組ABS試件進(jìn)行平行試驗(yàn)(試件1和試件2)。取75%的丙酮溶液各10 mL分別倒入兩個(gè)玻璃培養(yǎng)皿中(培養(yǎng)皿規(guī)格為90 mm)，使丙酮溶液液面高出培養(yǎng)皿內(nèi)底面約2 mm。分別將兩組ABS成型件的待處理表面浸入兩個(gè)培養(yǎng)皿中，蓋上培養(yǎng)皿的上蓋。實(shí)驗(yàn)過程分多次浸泡，每次浸泡時(shí)間為60 s，浸泡過程中分別觀察兩組試件的浸泡反應(yīng)狀況，并在浸泡60 s時(shí)，同時(shí)取出兩組試件。置于烘箱中烘干后，觀察兩組試件的表面狀況，測(cè)量其浸泡表面的粗糙度值、光澤度值。重復(fù)多次浸泡和測(cè)量后，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，測(cè)量結(jié)果如圖3～圖4所示。由圖3、圖4可知，用75%的丙酮溶液浸泡ABS成型件時(shí)，隨著浸泡時(shí)間的增加，ABS成型件浸泡表面的粗糙度值減小，光澤度值增大，粗糙度值和光澤度值變化曲線較為平緩。因此，中高濃度丙酮溶液對(duì)ABS成型件進(jìn)行表面處理時(shí)，整體反應(yīng)過程可控，表面處理效果隨時(shí)間的增加而明顯，是適宜的浸泡處理濃度范圍。

圖3 ABS成型件表面粗糙度對(duì)比

圖4 ABS成型件表面光澤度對(duì)比

2.3 高濃度丙酮溶液浸泡時(shí)間對(duì)成型件表面質(zhì)量及光澤度的影響

研究高濃度丙酮溶液(濃度≥90%)對(duì)ABS成型件的表面質(zhì)量及光澤度的影響，配制濃度為95%的丙酮溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并取兩組ABS試件進(jìn)行平行試驗(yàn)(試件3和試件4)。取95%的丙酮溶液各10 mL分別倒入兩個(gè)玻璃培養(yǎng)皿中(培養(yǎng)皿規(guī)格為90 mm)，使丙酮溶液液面高出培養(yǎng)皿內(nèi)底面約2 mm。分別將兩組ABS成型件試件的待處理表面浸入兩個(gè)培養(yǎng)皿中，蓋上培養(yǎng)皿的上蓋。實(shí)驗(yàn)過程分三次浸泡，每次浸泡時(shí)間為10 s，浸泡過程中分別觀察兩組試件的浸泡反應(yīng)狀況，并在浸泡10 s時(shí)，同時(shí)取出兩組試件。置于烘箱中烘干后，觀察兩組試件的表面狀況，測(cè)量其浸泡表面的粗糙度值、光澤度值。重復(fù)三次浸泡和測(cè)量后，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，測(cè)量結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知，用95%的丙酮溶液浸泡ABS成型件時(shí)，第一次浸泡10 s的粗糙度值與光澤度值與第二次浸泡10 s的粗糙度值與光澤度值相近，而第三次浸泡10 s的粗糙度值比前兩次粗糙度值增大，光澤度值減小。高濃度丙酮溶液對(duì)ABS成型件進(jìn)行表面處理時(shí)，反應(yīng)速度快，表面處理效果明顯，但要注意控制浸泡時(shí)間，通常根據(jù)ABS成型件的實(shí)際情況(模型的大小和形狀)，浸泡5～20 s。時(shí)間過長(zhǎng)(時(shí)間＞20 s)容易導(dǎo)致浸泡過度，反而影響了表面處理效果。因此，高濃度丙酮溶液更適合采用涂刷的方式進(jìn)行表面處理，即使用刷子將高濃度丙酮溶液直接涂刷于待處理表面，靜置風(fēng)干后即得到光滑锃亮的成型件表面。

圖5 ABS成型件表面粗糙度對(duì)比

圖6 ABS成型件表面光澤度對(duì)比

3 結(jié)論

(1)中低濃度(濃度＜60%)的丙酮溶液與ABS成型件的浸泡表面幾乎無(wú)反應(yīng)，對(duì)ABS成型件表面質(zhì)量和光澤度無(wú)影響，不適用于對(duì)ABS成型件進(jìn)行表面處理。

(2)中高濃度(60%≤濃度＜90%)的丙酮溶液對(duì)ABS成型件進(jìn)行表面處理時(shí)，整體反應(yīng)過程可控，表面處理效果隨時(shí)間的增加而明顯，是適宜的浸泡濃度范圍。

(3)高濃度(濃度≥90%)的丙酮溶液對(duì)ABS成型件進(jìn)行表面處理時(shí)，反應(yīng)速度快，表面處理效果明顯，但反應(yīng)過程不可控，因此需要注意控制浸泡時(shí)間，通常根據(jù)ABS成型件的實(shí)際情況(模型的大小和形狀)，浸泡5～20 s。高濃度丙酮溶液更適合采用涂刷的方式對(duì)ABS成型件進(jìn)行表面處理。