劉曦澤

（吉林省長春市公主嶺市職業(yè)教育中心 吉林 長春 136100）

0 引言

近幾年，我國交通運輸事業(yè)飛速發(fā)展，交通設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域新工藝、新材料、新設(shè)備不斷涌現(xiàn)。 瀝青瑪蹄脂碎石混合料（stone mastic asphalt，SMA）是新材料的代表，最早用于機場高速公路表面層，因高度穩(wěn)定、高抗變形能力、優(yōu)良耐久性等特性而備受公路面層施工方青睞。 將SMA 與碳纖維復(fù)合，可以進一步改善材料穩(wěn)定性。 但是，傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法保證SMA 碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量，3D 打印技術(shù)雖然可以完成SMA 碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)任務(wù)，但是打印期間易受溫度、材料厚度、觸頭轉(zhuǎn)動速度等諸多因素的影響。 因此，分析SMA 碳纖維復(fù)合材料3D 打印技術(shù)具有非常突出的現(xiàn)實意義。

1 SMA 材料分析

作為由瀝青、纖維穩(wěn)定劑、礦粉、細集料組成的材料，SMA 內(nèi)部大粒徑間斷級配集料相互嵌入鎖固（見圖1），可以形成高度穩(wěn)定骨架［1］。 同時科學(xué)摻加瀝青、穩(wěn)定劑、細集料，可以形成瀝青砂膠，有效膠結(jié)骨架，確保材料結(jié)構(gòu)在高溫、低溫狀態(tài)下保持較好的水穩(wěn)定性、耐久性以及抗滑性能。

圖1 SMA 碳纖維復(fù)合材料上面層

由圖1 所示，SMA 碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為間斷型密級配，粗集料較多，細集料（瀝青礦粉）、填充料較少［2］。較多的粗集料相互接觸，形成骨架；較少的細集料填充骨架形成空隙。 總體表現(xiàn)為：材料結(jié)構(gòu)密實，瀝青礦粉形成膠漿充分填充孔隙，結(jié)構(gòu)內(nèi)摩擦角、黏聚力均較強。

2 SMA 碳纖維復(fù)合材料在3D 打印中的應(yīng)用

SMA 碳纖維復(fù)合材料3D 打印具有顯著優(yōu)勢，需要借助直徑一定的噴嘴擠出SMA 材料，逐層構(gòu)建條帶。

首先，設(shè)計配合比。 為提高SMA 碳纖維復(fù)合材料可打印性，在降低膠凝材料含量的同時，利用機制細集料代替天然細集料，細集料應(yīng)潔凈干燥可自由流動，無風(fēng)化，不含雜質(zhì)，不成團，粒徑小于0.075 mm 顆粒含量超出10%，粒徑小于2.36 mm 顆粒含量超出20%，粒徑小于4.75 mm顆粒含量超出30%。 細集料可為堅硬石料軋制而成的砂，也可為石灰石磨細石料，膠凝材料使用量在600 kg/m3以上、1 060 kg/m3以內(nèi)，質(zhì)量分數(shù)為8%～12%，確保材料可擠出性。

3D 打印復(fù)合材料中粗級配骨料選擇100%軋制近似立方體的石料，粗集料一般為直徑8 mm 碎石（或卵石），相應(yīng)材料強度高、質(zhì)地堅硬，細長顆粒、扁平顆粒含量較少。 同時骨料質(zhì)量分數(shù)應(yīng)由傳統(tǒng)SMA 材料骨料質(zhì)量分數(shù)75%下降到45%～55%，水與膠凝材料比例為0.3。

SMA 碳纖維復(fù)合材料中瀝青優(yōu)選針入度小、軟化點高、黏結(jié)性強的瀝青，如摻加SBS 改性瀝青，拌和時瀝青黏度應(yīng)達到150～190 mm/s，質(zhì)量分數(shù)為6.5%～7.0%［3］。

根據(jù)提高3D 打印材料可造性、觸變性要求，利用硅灰代替?zhèn)鹘y(tǒng)穩(wěn)定劑，硅灰為400 目（38 μm）針狀硅灰，質(zhì)量分數(shù)為0.4%，其有助于超細纖維與瀝青基體的結(jié)合（見圖2），提高復(fù)合材料承載能力。

圖2 硅灰與顆粒堆積圖

在向SMA 材料中添加碳纖維時，根據(jù)碳纖維長度與SMA 材料流動性的關(guān)系，優(yōu)選3 ～9 mm 長度的碳纖維，碳纖維質(zhì)量分數(shù)為12%，確保復(fù)合材料流動性。

其次，設(shè)置打印機。 打印模式為燒融模式，在燒融模式下，為最大程度減少滲出、拉絲現(xiàn)象，技術(shù)人員應(yīng)將縮回設(shè)置為0，填充為100%，同時設(shè)定層高度為0.2 mm，層厚度為0.8 mm，底部和頂部厚度為0.6 mm，最小行為1.5 mm，直徑為1.74 mm，收縮前的擠壓最小厚度為0.02 mm，縮回時Z 軸跳動為0.075 mm 填充密度為20%。 考慮到碳纖維絲變脆趨勢較為顯著，若用力擰緊碳纖維，極易引發(fā)碳纖維卡固問題，技術(shù)人員應(yīng)使用PTFE 導(dǎo)絲路徑，選擇支持類型為“None”，平臺附著型為“Brim”，確保由閥芯到噴嘴路徑曲線平緩，線軸位于破損風(fēng)險較小區(qū)域，其間無任何可在表面拖動物料尖端、空間，增加擠出3D 打印機組件內(nèi)部纖維堆積可能性。 同時為減少因碳纖維而引發(fā)的噴嘴堵塞現(xiàn)象對打印可靠性、一致性的不利影響，技術(shù)人員可以利用0.5 mm＋尺寸的噴嘴代替標準0.4 mm 噴嘴，噴嘴材質(zhì)由黃銅升級為硬化鋼，確保其可以承受碳纖維的磨損。 同時根據(jù)硬化鋼噴嘴導(dǎo)熱性低的問題，調(diào)高擠出機初始溫度，設(shè)定3D 打印擠出機床初始溫度（床層溫度）為60 ℃，減少堵塞［4］。

最后，打印操作前，面向多打印觸點，在材料傳送帶上安裝SMA 碳纖維復(fù)合材料，邊安裝SMA 碳纖維復(fù)合材料邊進行樹脂材料安裝，借助壓縮機壓縮成卷材料。 進而借助高溫條件，經(jīng)轉(zhuǎn)動觸頭膨出SMA 碳纖維復(fù)合材料。 纖維材料數(shù)量控制依據(jù)為SMA 碳纖維復(fù)合材料的體積比例，在膨出材料后，借助加熱塊提高材料溫度。 在材料溫度達到預(yù)先設(shè)定條件且形成流動膠體后，沿著前期規(guī)劃SMA 碳纖維復(fù)合材料運行軌跡，借助擠壓導(dǎo)管一端導(dǎo)向管，將流動膠體狀材料擠出到平臺內(nèi)，完成首層打印模塊。在首層打印模塊擠出上，沿著z 軸進行觸頭轉(zhuǎn)動方向以及預(yù)先設(shè)定角度、距離的調(diào)整，促使觸頭沿著x 方向、y 方向繼續(xù)循環(huán)運動，期間3D 打印機主動輪、副輪無縫配合，流動膠體、管壁之間形成內(nèi)摩擦力，可以確保材料均勻擠出，直到獲得整套SMA 碳纖維復(fù)合材料件。

3 SMA 碳纖維復(fù)合材料3D 打印技術(shù)的質(zhì)量控制策略

3.1 溫度控制

溫度會改變打印過程中SMA 材料與碳纖維混合物的流變性、觸變性，進而影響混凝土和易性，是SMA 碳纖維復(fù)合材料能否正常開展3D 打印的關(guān)鍵因素［5］。 在溫度適宜條件下，SMA 碳纖維復(fù)合材料將發(fā)生溶解，演變?yōu)樵趯?dǎo)管內(nèi)流動的膠質(zhì)。 在溫度較高條件下，SMA 碳纖維復(fù)合材料快速流動，對纖維與加強材料之間黏合、材料流動順暢性均造成較大干擾，表現(xiàn)為SMA 碳纖維復(fù)合材料在加強材料上附著不均；而在低溫條件下，SMA 碳纖維復(fù)合材料仍然為半固態(tài)，無法順利在導(dǎo)管內(nèi)流動。 因此，在3D打印機床初始溫度為60 ℃、SMA 碳纖維復(fù)合材料厚度為8 mm、碳纖維用量為12%、觸頭轉(zhuǎn)動速度為35 mm/s 的情況下，技術(shù)人員應(yīng)依據(jù)溫度階梯升高的思路，進行觸頭溫度調(diào)試，分別在160 ℃、200 ℃、250 ℃下控制觸頭沿水平方向移動30 mm，每擠壓一層轉(zhuǎn)臂寬度相等，均為10 mm。在這個基礎(chǔ)上，依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）關(guān)于瀝青混合料抗壓強度、彈性模量的測試方法，分別在20 ℃、15 ℃環(huán)境內(nèi)，借助萬能材料試驗機與變形量測裝置、恒溫水槽，檢測SMA 碳纖維復(fù)合材料在不同溫度下的力學(xué)性能，檢測方法為得出結(jié)果見表1。

表1 不同溫度下SMA 碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能

由表1 可知，在不同溫度下，SMA 碳纖維復(fù)合材料抗壓強度差異較小，彈性模量差距較大，200 ℃下的SMA 碳纖維復(fù)合材料彈性模量顯著高于160 ℃、250 ℃下的彈性模量。 表明200 ℃下SMA 碳纖維復(fù)合材料彈性模量更高。 因此，在SMA 碳纖維復(fù)合材料3D 打印操作時，應(yīng)盡量設(shè)定觸頭溫度為200℃。 在200 ℃下，SMA 碳纖維復(fù)合材料內(nèi)瀝青瑪蹄脂充分填入粗集料之間孔隙并包裹粗集料表面，促使材料黏結(jié)作用、柔韌性顯著增強，且具有較高的抗變形能力、抗拉強度。 確定SMA 碳纖維復(fù)合材料溫度控制標準后，根據(jù)3D 打印機的打印頭運行過程中被加熱腔加熱成液體并保持適宜絲寬、黏流動性、良好黏接性的熔融狀態(tài)熱傳導(dǎo)特點，增設(shè)一種將外界感知溫度信號轉(zhuǎn)換為電路中有價值電信號的裝置——溫度傳感器。 根據(jù)SMA 碳纖維復(fù)合材料熔融后溫度，選擇測量精度較高、測溫范圍較大的鉑電阻溫度傳感器。 同時引入閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)端設(shè)定SMA 碳纖維復(fù)合材料的熔點，期間結(jié)合溫度傳感器采集打印機打印頭實際溫度是否達到最優(yōu)溫度值，若是，則執(zhí)行系統(tǒng)端前期設(shè)置數(shù)控代碼機械擠出操作，反之則重新調(diào)整打印機參數(shù)，確保打印機加熱腔內(nèi)自動加熱SMA 碳纖維復(fù)合材料到熔融狀態(tài)，且整個打印過程中SMA 碳纖維復(fù)合材料始終處于熔融狀態(tài)。

3.2 觸頭轉(zhuǎn)動速度控制

觸頭轉(zhuǎn)動速度是干擾高性能碎石瀝青砂膠混凝土層間黏合強度、結(jié)構(gòu)質(zhì)量的主要因素。 若觸頭轉(zhuǎn)動速度過快，3D 打印時長進一步壓縮，打印觸頭在SMA 碳纖維復(fù)合材料表面接觸時間也隨之縮短，單位時間內(nèi)下料數(shù)量相對減少，高性能碎石瀝青砂膠混凝土各層無法充分固化，對各層平整性造成較大不利影響；若觸頭轉(zhuǎn)動速度過慢，SMA 碳纖維復(fù)合材料下料量高于標準值，高性能碎石瀝青砂膠混凝土各層無法充分黏合。 為確保打印的SMA 碳纖維復(fù)合材料維持良好形狀，應(yīng)加強觸頭轉(zhuǎn)動速度的控制［6］。 基于最佳觸點轉(zhuǎn)動速度控制的目的，在SMA 碳纖維復(fù)合材料厚度為8 mm、碳纖維用量為12%、3D 打印機床初始溫度為60 ℃、觸頭溫度為200 ℃的情況下，技術(shù)人員可以依據(jù)階梯式觸點移動速度設(shè)計思路，將觸頭移動速度分別調(diào)整為35 mm/s、55 mm/s、75 mm/s。 依據(jù)前期設(shè)定速度，沿著水平方向移動觸頭30 mm，各層觸頭轉(zhuǎn)動臂寬為10 mm。隨后依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）的相關(guān)要求，借助靜壓法成型SMA 碳纖維復(fù)合材料試件（直徑100 mm±2.0 mm、高100 mm±2.0 mm），檢測SMA 碳纖維復(fù)合材料抗壓強度與彈性模量，得出結(jié)果見表2。

表2 不同觸頭轉(zhuǎn)動速度下SMA 碳纖維復(fù)合材料性能

由表2 可知，在溫度、材料厚度與碳纖維用量一定的情況下，隨著觸頭轉(zhuǎn)動速度的增加，SMA 碳纖維復(fù)合材料抗壓強度不斷下降，彈性模量也不斷下降。 表明35 mm/s的觸頭轉(zhuǎn)動速度較為適宜SMA 碳纖維復(fù)合材料。 基于此，在3D 打印SMA 碳纖維復(fù)合材料時，可以在“Feedrate”界面，選擇“層視圖”，可視化打印觸頭轉(zhuǎn)動速度，將速度調(diào)整為35 mm/s。

3.3 材料厚度的控制

在打印期間，高性能碎石瀝青砂膠混凝土逐層構(gòu)筑時，各層材料厚度對其所承受機械強度具有直接影響。 一旦各層厚度不足，其機械強度無法承受隨后沉積層的重量，就會導(dǎo)致構(gòu)件坍塌；而各層厚度過大，則易超出可印刷性窗口要求，堵塞3D 打印機管道與噴嘴，干擾后期打印材料形狀穩(wěn)定性［7］。 為確定最佳SMA 碳纖維復(fù)合材料厚度控制標準，技術(shù)人員可以依據(jù)階梯式厚度調(diào)整速度，在觸頭移動速度為35 mm/s、觸頭溫度為200 ℃、機床初始溫度為60 ℃、各層轉(zhuǎn)臂寬度為10 mm、碳纖維用量為12%的情況下，調(diào)整SMA 碳纖維復(fù)合材料厚度分別為4 mm、8 mm、10 mm。 進而依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）相關(guān)要求，從輪碾機成型板塊試件上借助鉆芯機專鉆取直徑100 mm±2.0 mm、高100 mm±2.0 mm的試件，確定試件密度符合馬歇爾標準擊實密度100%±1.0%要求后，測試SMA 碳纖維復(fù)合材料在不同厚度下力學(xué)性能，得出結(jié)果見表3。

表3 不同材料厚度下的SMA 碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能

由表3 可知，在3D 打印機觸點速度、觸頭溫度一定的情況下，SMA 碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能隨著厚度的增加先增加后減小。 在材料厚度為8 mm 時的抗壓強度、彈性模量最高。 因此，可以控制SMA 碳纖維復(fù)合材料厚度為8 mm。 此外，若僅打印1 層～2 層后出現(xiàn)噴嘴堵塞問題，可能是由于噴嘴鄰近3D 打印機床時背壓較高，引發(fā)碳纖維堆積，此時，需要進一步增加首層打印材料厚度，暢通擠出通道。

4 結(jié)語

綜上所述，將SMA 材料與碳纖維復(fù)合打印，可以進一步提高材料的穩(wěn)定性。 因此，在合理設(shè)計SMA 碳纖維復(fù)合材料配合比的基礎(chǔ)上，操作者應(yīng)預(yù)先設(shè)計打印機參數(shù)，按流程操作。 在操作過程中，加強對打印過程設(shè)備與材料溫度、觸頭轉(zhuǎn)動速度以及材料厚度的控制，避免因上述因素控制不當而影響材料各層固化程度與黏合程度，確保SMA 碳纖維復(fù)合材料3D 打印操作高質(zhì)高效。