3D打印多種形貌CF/ABS復(fù)合材料扳手

馬曉坤,王 瑞,趙金德,陸書來,張扶搖

(1.吉林化工學(xué)院 石油化工學(xué)院，吉林 吉林 132023；2.吉林石化公司 合成樹脂廠，吉林 吉林 132021；3.中國石油華南化工銷售公司，廣東 廣州 510655)

扳手是一種利用杠桿原理擰轉(zhuǎn)螺栓、螺釘、螺母和其他螺紋緊持螺栓或螺母的開口的常用安裝與拆卸工具.在汽車、航空、航天、鐵道等不同行業(yè)中，螺紋副連接裝配作業(yè)對(duì)施加定量緊固力都有所要求；又因螺栓、螺釘、螺母等緊固件的大小尺寸不同，通常扳手都是以不同大小型號(hào)的一組形式配備使用.

特別是在高空作業(yè)過程中，技術(shù)人員更需要使用質(zhì)輕且高強(qiáng)的扳手，防止意外脫手對(duì)其他人員造成意外傷害；或因扳手破損，而導(dǎo)致高空作業(yè)人員反復(fù)攀高而造成不安全因素的增加.因此，此種質(zhì)輕、高強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料扳手具有其應(yīng)用市場，值得進(jìn)行推廣.

3D打印思想起源于19世紀(jì)末的美國，并在20世紀(jì)80年代得以發(fā)展和推廣.3D打印是科技融合體模型中最新的高“維度”的體現(xiàn)之一，3D打印機(jī)的出現(xiàn)顛覆了部件設(shè)計(jì)依賴于生產(chǎn)工藝能否實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)思路，任何復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)均可以直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成，并通過3D打印機(jī)來實(shí)現(xiàn).3D打印無需機(jī)械加工或模具，極大地所縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)率，具有巨大的市場潛力[1-3].

另一方面，碳纖維材料因其高強(qiáng)、高模、質(zhì)輕等優(yōu)勢已從高精尖的航空航天、風(fēng)力發(fā)電、軍工產(chǎn)業(yè)逐步向民用、體育、娛樂等多個(gè)生活方面逐步拓展.而3D打印技術(shù)的發(fā)展，也亟待有更多的功能性新材料不斷地推陳出新,不再局限在聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯礬(PPSF)、ABS樹脂[4-5]等單一樹脂上.碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行快速生產(chǎn)，有利于提供更加高強(qiáng)、質(zhì)輕的3D打印材料，有利于拓展碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域向更加多元化的日常民品方面全面發(fā)展.

本文利用3D打印技術(shù)，將CF/ABS復(fù)合材料[6-7]設(shè)計(jì)制備了多種形貌的復(fù)合材料扳手，此種扳手的大小、口徑、厚度均可控制，且為相同尺寸制備的普通扳手質(zhì)量的1/6，應(yīng)用強(qiáng)度可達(dá)到使用要求，完全滿足質(zhì)輕、高強(qiáng)、價(jià)格低廉的實(shí)際應(yīng)用需要.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

碳纖維T300，吉林石化公司碳纖維廠；自制碳纖維上漿劑，其中含有醇羥基和環(huán)氧基團(tuán)，吉林化工學(xué)院制備；丁二烯-苯乙烯-丙烯腈三元共聚粉料(CHT)、苯乙烯-丙烯腈二元共聚物(SAN)、乙撐雙硬脂酰胺(EBA)、硬脂酸鎂(MAGST)、抗氧劑二硬脂基季戊四醇二亞磷酸酯(SPEP)，化學(xué)純，吉林石化公司合成樹脂廠.

1.2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機(jī)，TE-35，南京科亞公司；HAAKE PolyLab QC 模塊化轉(zhuǎn)矩流變儀； 注塑機(jī)：EC130S，日本東芝；融流指數(shù)測試儀：CEAST 2708，Instron公司；懸臂梁沖擊強(qiáng)度測試儀：CEAST 9050，Instron公司；拉伸彎曲測試機(jī)：574洛氏硬度計(jì)，Wilson公司；太爾時(shí)代3D打印機(jī)，UP2，廣州極臻三維設(shè)備公司.

1.3 3D打印用CF/ABS復(fù)合材料的制備

按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的配方將高抗沖丁二烯-苯乙烯-丙烯腈三元共聚粉料(CHT)、高流動(dòng)苯乙烯-丙烯腈二元共聚物(SAN)、潤滑劑乙撐雙硬脂酰胺(EBA)、硬脂酸鎂(MAGST)、抗氧劑二硬脂基季戊四醇二亞磷酸酯(SPEP)等原料加入到高速混合機(jī)中，充分混合5 min后，將共混料加入到雙螺桿擠出機(jī)中熔融共混，并設(shè)置螺桿的升溫區(qū)域?yàn)?20、230、235、240 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為120 r/min；將碳纖維絲束浸潤到自制上漿劑中，提高碳纖維的集束性，并改善碳纖維絲與ABS樹脂的相容性，將處理好的碳纖維絲束從中間喂料，擠出造粒，水冷卻后切成Φ3 mm×Φ3 mm圓柱狀產(chǎn)品，制備CF/ABS復(fù)合材料.

將所得的CF/ABS復(fù)合材料作為母料，調(diào)節(jié)ABS樹脂和復(fù)合材料的比例，在哈克單螺桿擠出機(jī)中并添加少許表面光亮劑、黑色母和潤滑劑，擠出溫度設(shè)置為230～250 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為20～25 mm/min，制備直徑為1.75 mm±0.05 mm寬的3D打印用CF/ABS復(fù)合材料線材.

1.4 CF/ABS復(fù)合扳手的設(shè)計(jì)打印

利用skecth-up軟件進(jìn)行多種形貌扳手的打印建模，在3D打印機(jī)上設(shè)置打印溫度范圍為230～240 ℃，打印速度50 mm/s，打印精度0.15～0.4 mm，填充密度75%～100%，層高0.1 mm，壁厚0.8 mm等參數(shù)設(shè)置.就可以在電腦軟件中設(shè)計(jì)出不同口徑大小、長度、厚度以及是否中空等多種應(yīng)用需求的扳手圖形.例如圖1為口徑26 mm長13.2 cm厚1.5 cm的普通呆扳手的設(shè)計(jì)圖，并利用這個(gè)3D打印呆扳手開啟氮?dú)怃撈康拈y門.

圖1 3D打印CF/ABS呆扳手設(shè)計(jì)圖及應(yīng)用展示

在此基礎(chǔ)上，利用3D打印設(shè)計(jì)方法可以制備多種形貌的CF/ABS復(fù)合扳手，適應(yīng)于不同的工作需求，如圖2所示.

圖2 3D打印多種形貌CF/AB復(fù)合扳手

2 結(jié)果與討論

2.1 3D打印用CF/ABS復(fù)合材料的分析

將所得CF/ABS復(fù)合材料在80 ℃下進(jìn)行干燥2 h，注塑成型進(jìn)行性能測試.注塑機(jī)各段溫度分別為210、220、225、230 ℃；注塑壓力為100 MPa，冷卻時(shí)間為30 s.將測試樣條在恒溫避光條件下放置2 h后在室溫25 ℃下，進(jìn)行性能測試.所有樣品的測試標(biāo)準(zhǔn)按照如下所述：懸臂梁沖擊強(qiáng)度按ASTM D256-1992測試；拉伸性能按 ASTM D638-1991測試；彎曲強(qiáng)度按 ASTM D790-1992測試；熔體流動(dòng)速率按 ASTM D1238-2010測試；洛氏硬度按 ASTM D785-2003測試.

如表1所示，隨著碳纖維含量的增加，CF/ABS復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度和熔融指數(shù)逐漸降低，而拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和洛氏硬度會(huì)有增高的趨勢.這主要是由于碳纖維無機(jī)相的加入到ABS彈性體中，會(huì)產(chǎn)生局部的相分離，雖然相容劑的存在可以改善這一現(xiàn)象，但是當(dāng)受到?jīng)_擊時(shí)，會(huì)從產(chǎn)生的局部應(yīng)力部位而快速斷裂，所以沖擊強(qiáng)度會(huì)隨著碳纖維含量的增加而快速的下降，但是在添加少量0.5%的碳纖維時(shí)，其沖擊強(qiáng)度仍達(dá)到17.26 kJ/m2，可以滿足一般的抗沖需要.同時(shí)，因?yàn)樘祭w維在ABS樹脂中會(huì)明顯地降低熔融狀態(tài)的流動(dòng)性，故復(fù)合材料的熔融指數(shù)明顯降低，但大于18 g/10 min的熔融指數(shù)是完全可以滿足3D打印需要的.相反，在碳纖維加入后，因碳纖維的絲狀結(jié)構(gòu)會(huì)提高ABS樹脂的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，特別是硬度的提高，有益于制備的3D打印扳手具有良好的使用強(qiáng)度.

表1 不同CF/ABS復(fù)合材料的性能指標(biāo)

2.2 3D打印用CF/ABS復(fù)合扳手生產(chǎn)技術(shù)優(yōu)勢

FDM(Fused Deposition Modeling)3D打印技術(shù)因其機(jī)械結(jié)構(gòu)最簡單，設(shè)計(jì)也最容易，制造成本、維護(hù)成本和材料成本也最低，是目前應(yīng)用最廣的3D打印技術(shù).FDM技術(shù)可以打印的材料包括ABS、聚碳酸酯、聚乳酸、聚苯礬等多種熱塑性樹脂，F(xiàn)DM是唯一使用工業(yè)級(jí)熱塑材料作為成型材料的積層制造方法.CF/ABS復(fù)合材料屬于改性的熱塑樹脂，在其熔融指數(shù)控制和熔融溫度調(diào)整下，完全適用于FDM3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)擠出并迅速凝固，完成逐層堆積，最后在空間上排列黏結(jié)結(jié)形成立體實(shí)物.

以3D打印碳纖維復(fù)合材料的扳手為例，制備方法簡單、便捷，以一個(gè)長13 cm的復(fù)合材料扳手為例，其厚度為1.5 cm，調(diào)整打印速度可以控制打印時(shí)間2～3 h.此種3D打印碳纖維復(fù)合材料扳手在實(shí)用性強(qiáng)，強(qiáng)度和硬度都可以與通用的市售扳手相比，卻具有質(zhì)輕的優(yōu)勢，扳手的質(zhì)量約為同尺寸的普通扳手的1/6.因此3D打印用碳纖維/ABS復(fù)合材料的研發(fā)可以在更多的民用小制件上進(jìn)行推廣.

2.3 3D打印用CF/ABS復(fù)合扳手生產(chǎn)成本優(yōu)勢

以制備3D打印碳纖維/ABS復(fù)合材料的扳手為例，一個(gè)長132 mm口徑為26 mm，厚15 mm的呆扳手的制備時(shí)間為3 h，其質(zhì)量約為20 g，按照上述的經(jīng)費(fèi)花費(fèi)預(yù)算，3D打印碳纖維/ABS復(fù)合材料的價(jià)格可定為2萬/噸～2.8萬/噸(因碳纖維含量的不同而浮動(dòng))，可制備上述的3D打印呆扳手近5萬個(gè)，折合一個(gè)3D打印的呆扳手價(jià)格在0.4～0.56元一個(gè)，而實(shí)際上普通呆扳手的價(jià)格約為2元.簡單由此可見，3D打印碳纖維/ABS復(fù)合材料制備的制件有其價(jià)格優(yōu)勢.

3 結(jié) 論

利用3D打印技術(shù)，制備一種更加適合打印的CF/ABS復(fù)合材料，通過建模打印多種形貌的CF/ABS復(fù)合扳手.這種復(fù)合扳手具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、制備快速、實(shí)用性強(qiáng)和價(jià)格低廉等眾多優(yōu)勢.結(jié)合3D打印技術(shù)制備碳纖維復(fù)合材料制件，有利于拓展碳纖維復(fù)合材料在日常生活領(lǐng)域的應(yīng)用.