不同形狀3D打印ABS材料的太赫茲光譜研究

王曉冬 田永紅 徐帆 苗昕揚 趙昆

摘 要： 近年來，太赫茲時域光譜技術作為一種新型的光譜分析手段成為研究的熱點。太赫茲波在塑料材料檢測的優勢，可以作為塑料材料鑒別的新方法。本文研究了太赫茲波通過不同形狀3D打印ABS材料的光譜特性，討論了太赫茲波通過不同形狀樣品的時間和厚度隨測量點變化趨勢，結果表明太赫茲波通過不同形狀ABS材料的時間和厚度正相關；同時，得到了3D打印ABS材料的折射率。實驗結果對于研究不同形狀ABS材料與太赫茲波的作用以及其他的3D打印材料的研究提供了一定幫助。

關鍵詞： 太赫茲時域光譜；3D打印；ABS材料

中國分類圖號：TB322

0 引言

3D打印技術是一種通過材料的逐漸堆積來實現制造的技術。它通過將計算機將成形零件的3D模型切成一系列一定厚度的“薄片”，使用3D打印設備自下而上加工出三維的實體零件。[1]隨著工業技術的進步，3D打印技術得到迅速發展并得到媒體的廣泛關注。目前3D打印已經被用于航空航天、生物醫療、新材料、新能源等眾多領域和行業。[2]

ABS是Acrylonitrile-Butadine-Styrene（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）的縮寫。ABS塑料是目前FDM桌面3D打印機應用最早，產量最大的打印耗材。ABS塑料具有耐熱性、抗沖擊性、耐化學腐蝕及制品尺寸穩定等優點，在機械、電子電器、儀表儀器等不同行業有著廣泛的應用。[3]近年來，隨著我國國民經濟的高速增長，ABS樹脂的生產和消費也呈現出了飛速的發展。但我國ABS樹脂的生產能力還不能滿足國內生產實際的需求，每年都得大量進口，開發利用前景廣闊。2015-2016年的世界塑料工業進展的相關資料表明，工程塑料的需求增長率普遍高于通用塑料，苯乙烯類共聚物ABS等的需求增長率高達4.1%。[4]

太赫茲時域光譜技術在塑料材料的檢測方面有著很大優勢。2010年，王鶴、趙國忠利用太赫茲時域光譜技術研究了5種不同塑料的透射譜，得到了5種塑料的吸收譜和折射率的色散特性。[5]2014年，S F Busch等人對ABS、PLA、Nylon、Bendlay、Polystyrene、HDPE、PP等7種不同的3D打印的材料進行了研究，獲得了7種材料的折射率譜，吸收譜。[6]此外，3D打印的太赫茲光學器件也進行了相關方面的研究。[7]。隨著科學技術的迅速發展，3D打印技術和太赫茲時域光譜技術在塑料研究中的應用會對現有的生產工藝和產品的檢測帶來新的機遇和挑戰。

1實驗

1.1樣品設計及制備

本實驗采用FDM成型工藝的3D打印技術制作樣品，所用的樣品首先通過ProE5.0軟件繪制3D物理模型，并轉化輸出為stl格式文件。然后將相應的stl文件格式導入3D打印機，設置好打印機的相關參數如打印品質-優良、內部填充密度-堅硬（90%）、外殼-一般殼層、打印厚度-0.2、打印速度-標準等基本參數化后，使用3D打印機獨立工作將所需樣品打印出來。設計和打印出來的樣品如1（a）、1（b）所示。

1.2實驗測試裝置

透射式THz-TDS檢測實驗使用的系統裝置由大恒光電公司制造的THz系統組成，其飛秒激光器的重復頻率為80MHz，脈沖寬度小于100fs，中心波長為800nm，輸出功率為960mW。利用該系統可以測試。實驗在室溫約為21？C（約294K）下進行。

實驗中將樣品置于實驗位移平臺上，調整樣品與太赫茲波垂直角度，固定樣品。開啟THz-TDS測量程序后，設置好相關參數，開始掃描，每一次掃描完成后，計算機采集并保存測量區域中每個測試點的時域譜信息。每次測量結束后，朝同方向使位移平臺移動1mm，使太赫茲波通過樣品的不同位置，為確保樣品全部被測量，測量從位于樣品一側的空氣當中的開始測量，到樣品另一側的空氣中結束為止。

2結果與討論

圖2（a）（b）（c）分別為不同形狀ABS材料的S1、S2、S3樣品的太赫茲時域譜，時域譜中包含豐富的振幅和相位信息。從圖中可以看出，太赫茲波在空氣中出現峰值的時間為1.9333ps，對應的空氣中幅值0.0107；太赫茲波通過厚度為6mm樣品的時間為14.3333ps，通過厚度為1mm的樣品時間為3.8667ps。由于太赫茲波在樣品中的折射率大于在空氣中的折射率，且不同填充度下相同厚度的樣品的折射率有所不同，因此太赫茲波通過樣品振幅會有明顯的下降，且不同厚度的樣品振幅下降各不相同，說明太赫茲波在不同厚度樣品中的損耗各不相同，樣品各波形在時間上均有延遲，同時，樣品的色散也造成時域波形的展寬。此外，太赫茲波通過不同樣品不同位置的時間和幅值變化呈現出一定的規律。對樣品S1、S2，太赫茲波通過樣品時間先減小，后增大；對樣品S3，太赫茲波通過樣品時間先增大，后減小；整體表現出與樣品的厚度變化一致的趨勢。

為了更加清楚的研究厚度對太赫茲波通過時間的影響，我們提取了太赫茲波通過不同形狀樣品的時間，并通過不同樣品的曲線方程得到相應厚度，結果如圖2（d）（e）（f）所示。

圖2（d）（e）（f）分別為太赫茲波通過樣品S1、S2、S3的延遲時間、厚度隨測量點位置變化的規律，從圖中可以看出，太赫茲波通過相同厚度的時間相同，同時，延遲時間和厚度隨測量點位置的變化趨勢一致，兩者表現出正相關性，即厚度減小，延遲時間減小；厚度增大，延遲時間增大。

此外，通過對時域譜數據進行快速傅里葉變換，得到了3D打印ABS材料的折射率譜，結果如圖3所示。

圖3為太赫茲波透過樣品S3厚度為1mm處0.4-1.6THz的折射率。 從圖中可以看出，在0.4-1.6THz范圍內，3D打印ABS材料的折射率隨著頻率增加略有減小的趨勢，樣品的平均為1.56。

3 結論

本文采用透射式THz-TDS研究了3種不同形狀的3D打印ABS材料的光譜特性，結果表明，太赫茲波通過不同形狀的ABS材料的時間與厚度正相關。此外，我們還獲得了3D打印ABS材料在0.4-1.6THz的折射率譜。結果對于研究不同形狀ABS材料與太赫茲波的作用以及其他的3D打印材料的研究提供了一定依據。

參考文獻

[1]張學軍等.3D打印技術研究現狀和關鍵技術[J].材料工程，2016，2（44）：122-128；

[2]蘭紅波，李滌塵，盧秉恒.微納尺度3D打印.中國科學：技術科學，2015， 9（45）：919–940.

[3]馬亞清，龐永艷.阻燃ABS樹脂的發展現狀及未來展望[J].塑料助劑，2014，2：1-5.

[4]許江菱等.2015-2016年世界塑料工業進展[J].塑料工業，2017，3（45）：1-44；

[5]王鶴，趙國忠.幾種塑料的太赫茲光譜檢測[J].光子學報，2010，7（39）：1185-1188.

[6]S F Busch， Marcel Weidenbach， J C Blazer， et al. THz Optics 3D Printed with TOPAS[J]. Journal of Infrared， Millimeter， and Terahertz Waves（2016），37：303-307.

[7]楊晶，龔誠等.利用3D打印技術制備太赫茲器件[J].中國光學，2017，1（10）：77-85.