增材制造聚乳酸脂與碳纖維核心溫度對比研究?

鮑成志， 洪成雨， 武亞軍， 張一帆，付艷斌， 李 操

（1.上海大學土木工程系 上海，200444）（2.深圳大學土木與交通工程學院 深圳，518061）

（3.香港理工大學3D打印研究中心 香港，999077）（4.深圳大學未來地下城市研究院 深圳，518060）

引言

近年來，隨著3D打印技術的興起，全球開始掀起3D打印熱潮，在航空航天、汽車、醫(yī)療健康等領域的市場應用已經取得積極的進展。增材制造俗稱3D打印，即融合了計算機輔助設計、材料加工與成形技術，以數字模型文件為基礎，使過去受到約束的復雜結構構件的制造具有實現的可能［1-5］。

近年來針對3D打印的各種研究越來越多，Hong等［6-8］結合3D打印技術與FBG傳感器，成功研發(fā)了各種新穎的巖土傳感器。鄭捷［9］研究了水泥基3D打印材料應具有的特性，分析了3D打印材料的組成及合成短纖維在打印材料中的特殊作用。Yao等［10］研究發(fā)現，當熔融沉積成型3D打印材料在拉伸載荷作用下失效時，存在兩種不同的失效模式和一個特殊的分離角，是兩種不同失效模式的分界點。汪傳生等［11］基于粉體喂料3D打印機，研究3D打印玻璃纖維/熱塑性聚氨酯共混材料的性能。周海龍等［12］基于Cr-Ni-Mo合金體系，研制出了屈服強度在590 MPa以上可用于3D打印的電弧堆熔絲材。

目前研究大多偏向于3D打印的應用、打印材料的組成、不同打印材料運用等方面，然而對于整個3D打印過程中所打印材料內部的溫度以及打印過程的材料特征分析等基礎研究十分缺乏。因此，3D打印過程的溫度特征研究，對于打印耗材的制造、選擇、打印工藝的調整、改進、打印模型主體結構的設置、以及力學特征分析等起著至關重要的作用。FBG傳感器具有小尺寸、高精度、抗電磁干擾、定制快捷方便、耐環(huán)境腐蝕及多路復用等優(yōu)點［13-15］。

本研究利用FBG傳感器優(yōu)良的傳感性質，并獨特地設計一種孔結構，將FBG植入該孔結構中，該孔結構可保證其在整個測試模型的打印制作過程中不受到任何外力的影響，可單獨測量本測試模型制作過程中任一時刻該FBG位置處的溫度變化。在模型的制作過程中，利用FBG的測量特性，有效測量出AM過程中不同階段溫度特征變化、AM模型核心不同材料的溫度變化。

1 光纖光柵的傳感原理

光纖布拉格光柵FBG于1978年問世［16］，這種簡單的固有傳感元件可利用硅光纖的紫外光敏性寫入光纖的纖芯內部。圖1（a）為光纖光柵的基本原理示意圖，光纖內部到外部由三部分組成：纖芯、包層和涂覆層；圖1（b）為FBG實物圖，其中中間的藍點區(qū)間是光柵區(qū)域，即FBG傳感器。

圖1 FBG示意圖及其實物圖Fig.1 FBG schematic diagram and its physical diagram

光纖光柵傳感機理是基于波長進行調制實現，當入射光源光波經過光柵區(qū)時，大部分的光波會穿透通過光柵區(qū)，而特定波長的光波則會被反射回光源位置，這種特定光波的波長中心峰值即為布拉格光纖光柵的中心波長，用λB表示。光柵反射的波長表達式為

其中：λB為光纖光柵的中心反射波長；neff為纖芯有效折射率；Λ為光柵的周期。

由式（1）知，任何能夠改變光柵有效折射率或光柵周期的物理量都能改變光柵中心波長。應變和溫度是最能直接顯著改變光纖光柵波長的物理量。其引起的光纖光柵波長的漂移可表示為

其中：?ε為光纖布拉格光柵軸向應變變化量；?T為溫度變化量；pe為有效彈光系數；ζ，α分別為光纖布拉格光柵的熱光系數和熱膨脹系數。

當光纖光柵受到外界應變或者應力的作用時，光柵的周期會發(fā)生變化，同時光彈效應會導致光柵有效折射率變化。當光纖光柵受到外界溫度影響時，熱膨脹會引起光柵周期發(fā)生變化，同時熱敏效應會引起光柵的有效折射率變化。目前已有的基于光纖光柵的各種傳感器基本上都是直接或間接地利用應變或溫度改變光柵中心波長，以達到測量被測物理量的目的。

式（2）還可簡單表示為

其中：cε與ct分別為光纖光柵的應變系數和溫度系數，通過標定試驗得到本試驗中光纖光柵的cε與ct分別為0.78×10-6με-1與6.4×10-6℃-1。

2 AM的5個臨界過程階段分析

結合3D打印制作本次模型核心溫度研究的AM模型（圖2（a）），本次打印采用線性45°角填充，也即模型內部呈現網狀填充，并與邊界呈現45°夾角（圖2（b）），打印耗材分別采用碳纖維與聚乳酸脂，模型尺寸為35 mm×35 mm×10 mm（長×寬×高）立方體，并且分別采用20%，40%，60%，80%，100%這5種不同密度試樣（圖2（c）），進行材料性質驗證。這里的密度指的是3D打印下模型內部的填充密度。

圖2 3D打印模型制備Fig.2 Fabrication of 3D printing model

將FBG傳感器在AM過程中植入到打印模型中，用以實現打印過程中模型內部溫度的監(jiān)測，并得到特征曲線，其植入方式如圖2（b）與圖3所示。圖3為AM完成后的模型，其中橙色套管為模型外部光纖保護管，FBG傳感器則通過圖3所示的溫度監(jiān)測孔進入模型內部，實現監(jiān)測模型內部核心溫度在AM過程中實時變化的目的。試驗發(fā)現，本實驗模型中，模型核心溫度變化曲線都可以劃分為具有5個不同階段變化特征的曲線。因此建立特征曲線模型并進一步地進行AM過程特征分析。

通過特征曲線，可將AM過程分為5個特征階段，如圖4所示。

圖3 模型結構示意圖Fig.3 3D printing model used in the test

圖4 增材制造過程FBG波長曲線圖Fig.4 Wavelength change of FBG during AM process

第1階段：初始波長階段。此時FBG尚未植入打印模型中，放置在室溫環(huán)境下，因此此時的FBG傳感器波長單受環(huán)境溫度影響。由于制作場所始終保持恒溫狀態(tài)，所以此階段的波長處于穩(wěn)定階段。

第2階段：FBG植入階段。在50%的位置處溫度監(jiān)測孔洞打印完畢后，暫停打印，并植入FBG，以達到監(jiān)測模型內部溫度的目的。此時由于打印剛暫停，所以該孔洞內部仍帶有一定的打印溫度，所以FBG從室內環(huán)境溫度突然轉移到帶有余溫的孔內時，會有波長驟升現象。本模型中，驟升量會根據模型密度的不同在30～150 pm之間變化。隨即由于打印機由暫停轉入工作階段的3～5 min啟動等待時間，所以此時由于模型內部與環(huán)境溫度間溫差，模型內部溫度會緩慢下降，因此FBG體現出緩慢下降段。本模型下中該下降量根據模型密度的不同，在10～60 pm之間變化。

第3階段：3D填充封裝階段。此階段的特點是隨著3D打印的逐層封裝，內部FBG處出現溫度的上升與下降，所以形成了此階段FBG傳感器波長反復循環(huán)的變化趨勢。其每一個循環(huán)代表一層耗材的堆疊。本模型中，此階段持續(xù)時間隨著封裝密度的不同會在10～15 min之間變化。

第4階段：3D打印封頂階段。此階段所有模型打印都由內部線性網格打印轉為100%密實打印，以達到表面密實封裝效果，因此本階段會在第3階段各循環(huán)峰值總體下降的趨勢下，根據打印密度的不同，出現不同程度的峰值回升現象。且因為本試驗在3D打印模型的切片設計中，封頂層數設置為3層，所以對應地，該階段出現3段循環(huán)。

第5階段：溫度回歸階段。此階段的開始即是填充封裝階段的結束。封裝結束后由于模型仍帶有一定的打印殘留溫度，所以此階段的特點為：模型溫度會迅速下降至初始第1階段的環(huán)境溫度狀態(tài)，因此引起FBG波長以2次曲線趨勢迅速下降，最終因為溫度下降至環(huán)境溫度而緩緩趨向平穩(wěn)。

3 AM過程模型內部溫度測量與分析

本試驗全程在恒溫的試驗室中進行。本試驗獨特地設計一種孔結構（直徑為0.7 mm），并且利用了FBG光學傳感器（0.2 mm），在本模型的打印中，將FBG植入該孔結構中，該孔結構可保證其在整個模型的打印制作過程中不受到任何打印外力的影響，所以該植入FBG可以單獨測量本模型制作過程中任一時刻該FBG位置處溫度變化，也即模型中部位置處溫度變化。

圖5 為碳纖維耗材在5個不同填充密度下，打印時模型內部FBG溫度變化量曲線。從第1階段轉到第2階段即FBG植入階段時，此過渡過程FBG處溫度變化特征為：在本模型所有密度試樣下，FBG處由環(huán)境溫度迅速驟升到當前模型內部溫度，對應地在圖5中出現第2階段波長驟升現象。隨著打印密度的增加，圖5所示溫度驟升量也相應地在不斷升高。具體分析其驟升量，如圖6（a）所示，其中溫度驟升量隨著密度的變化而呈現出正相關線性變化趨勢。

圖5 20%,40%,60%,80%,100%填充密度下的模型內部溫度變化量Fig.5 Curves of temperature variation inside the printing model at 20%,40%,60%,80% and 100% infill densities

該驟升段過后，對應地所有密度試樣下模型都在處于打印機啟動時間的等待中，由圖5可知該階段所有密度下的試樣溫度都在逐漸下降，且密度越大，溫度下降越多。該階段溫度具體下降量與密度的關系如圖6（b）所示。因為在模型與環(huán)境溫度之間的溫差下，模型在不斷地散熱，其密度越大，散熱量也隨之增大，因此溫度下降也越多。

圖6 不同填充密度第2階段溫度變化特點Fig.6 Characteristics of temperature change in the second stage with different infill densities

由第2階段FBG植入階段，轉到第3階段填充封裝階段，由于打印機開始繼續(xù)工作，對應地高溫耗材開始繼續(xù)疊加，因此會出現溫度驟升現象。由圖5所示，對應地有密度越大，溫度驟升量也越大。此階段溫度曲線出現循環(huán)現象，此現象是由于填充階段碳纖維耗材逐層循環(huán)疊加所引起。圖5所示其循環(huán)特征為先是波長上升，然后波長下降，循環(huán)往復進行。通過填充階段視頻逐幀分析，發(fā)現關于此階段循環(huán)現象的波峰，是由于打印機高溫噴嘴運動到模型中間所致，即如圖2（b）中a位置所示，也即為FBG光纖光柵正上方，此位置是一個循環(huán)中FBG接收熱量最大處。波谷則是由于高溫打印噴嘴移動到傳感器邊緣所致，即如圖2（b）中b位置所示，此位置是一個循環(huán)中FBG接收熱量最小處。對應地，此溫度循環(huán)剛好是噴嘴運動的一個循環(huán)，也即是一層耗材的疊加過程。由圖5曲線所示，隨著耗材逐層疊加，任何一種密度試樣下，封裝階段總體溫度上升趨勢都在逐漸減弱（即循環(huán)平均溫度變化量），其原因是由于隨著耗材逐層疊加，剛打印出來的高溫耗材與FBG之間，間隔耗材也隨之增多，因此會同時逐漸引起頂層剛打印處高溫耗材將熱量傳遞到內部FBG處的過程中散失越來越多的熱量。對應的填充階段每個循環(huán)的波峰值會隨著逐層打印，隨之逐漸減小，其波谷值呈現增大的趨勢，因此循環(huán)平均溫度變化量在逐漸變小。此階段最大溫度變化量隨著密度的變化如圖7所示，其中最大溫度變化量隨著密度的變化呈現出正相關線性變化趨勢。其相關性原因為，密度越大，同一時間段內填充密度大的模型就會有更多的填充材料，因此就會傳遞更多的熱量到FBG處，所以出現密度越大，該階段FBG處所測溫度變化量就越高。

圖7 不同填充密度下第3階段最大溫度變化量Fig.7 Maximum temperature change in the third stage at different infill densities

當打印進入尾聲，此時打印進入第4階段封頂階段，即圖5中所有曲線后3個尾峰部分。由圖5可知，從第3階段過度至此階段時，FBG在20%，40%，60%密度組中循環(huán)波峰值分別都由下降趨勢轉為上升趨勢。本階段3個峰值變化與密度的關系如圖8所示，其中發(fā)現本階段隨著填充密度的增加，波峰上升趨勢斜率在隨之減小，分析其原因為，密度越大模型頂層封頂階段高溫耗材的熱量就越難傳遞到其下方的FBG處，也即模型中間位置。當密度到達80%后，第3與第4階段的波峰峰值上升現象消失，并且開始轉為下降趨勢（圖5）。說明60%密度下是該模型內部溫度傳遞的臨界點，超過該臨界點后，熱量在耗材中的傳遞量開始小于熱量在耗材中的散失量。對應的，圖8所示為第4階段不同填充密度下的3個封頂波峰值，可以發(fā)現從80%密度組到100%密度組，其內部FBG處所測溫度變化量的斜率值開始變?yōu)樨撝怠?條曲線的擬合關系按照填充密度20%，40%，60%，80%，100%，依 次 分 別 為y=0.975x+8.496 7，y=0.81x+9.816 7，y=0.14x+12.903，y=-0.235x+15.103，y=-0.61x+16.333。因為模型的填充密度越大，對熱量傳遞的阻礙作用也就越大，所以該階段的最大溫度變化量的下降趨勢斜率在增大。

圖8 不同填充密度下第4階段3個尾峰最大峰值Fig.8 Value of peak temperature change at the fourth stage at different infill densities.

第5階段打印結束，模型冷卻至初始室溫狀態(tài)，對應的圖5中，所有的曲線都在3 000 s左右回歸到y=0處。這充分說明了本FBG在全程測量的過程中沒有受到除溫度變量外的其他變量影響（如填充材料的拉伸應變、收縮應變，以及殘余應變），因此本曲線當溫度回到初始狀態(tài)后也即環(huán)境溫度狀態(tài)，曲線也隨即相應地回歸到y=0處附近。

對打印時間的分析如圖9所示，可以發(fā)現，當密度依次為20%，40%，60%，80%，100%時，時間比依次分別為0.60，0.66，0.71，0.75，0.78。隨著填充密度的增加，填充階段與封頂階段的耗時比也在不斷增加，此特征可以用來判斷模型的填充密度。

f=T1/T2

其中：T1為封頂階段耗時；T2為填充階段耗時；f為時間比。

圖9 不同填充密度下第4階段與第3階段耗時比Fig.9 Comparison of elapsed time between the fourth stage and the third stage at different infill densities

4 碳纖維與聚乳酸脂耗材的AM過程對比分析

本研究除了做了5組碳纖維耗材下的試樣，同時還分別做了關于聚乳酸脂打印耗材20%，40%，60%，80%，100%密度下的5組試樣，用以做材料對比分析。

圖10 為兩種材料下，分別在20%，40%，60%，80%，100%填充密度下的3D打印過程中溫度變化曲線。

圖10 聚乳酸脂與碳纖維AM過程溫度變化量對比曲線Fig.10 Comparison curve of temperature variation between PLA and carbon fiber during AM process

圖10 表明，兩種耗材在AM過程中，各個階段的溫度變化趨勢是一致的。唯一的不同點是，由于使用材料不同，同一時刻模型內部溫度變化量不同。

從圖10中的5個階段來分析，發(fā)現在同一時刻，幾乎每一個階段下碳纖維的溫度變化量都要高于聚乳酸脂耗材，推測其原因為同一熱量下，碳纖維的導熱性要高于聚乳酸脂材料，因此同一密度同一時間下，對于碳纖維耗材的試樣，會有更多的熱量傳遞到模型內部FBG處。

因為碳纖維耗材下的模型內部溫度變化量高于聚乳酸脂，因此詳細分析碳纖維與聚乳酸脂兩種填充材料下第3階段最大溫度變化量之間的差值，圖11為5種填充密度下第3階段聚乳酸脂與碳纖維兩種耗材之間溫度最大上升量差值，圖中發(fā)現在60%填充密度之前，碳纖維耗材與聚乳酸脂之間的溫度差值隨著模型填充密度的增加也隨之逐漸增大，而當填充密度大于60%之后，此溫度變化量開始隨著填充密度的增加隨之逐漸減小，這一結果與圖8相關的分析與結論吻合較好，再次證明了60%填充密度是本實驗模型內部溫度傳遞的臨界點，超過該臨界點后，熱量在耗材中的傳遞量開始小于熱量在耗材中的散失量。

圖11 不同密度下第3階段兩種耗材之間溫度最大上升量差值Fig.11 Difference of maximal temperature variation in the third stage during AM between PLA and carbon fiber

因此，此分析對于3D打印耗材的選用方面給出了相應的建議：對于需要內部快速降溫的3D打印模型來說，可以采用碳纖維來制作。

5 結論

1）對于AM過程中兩種材料不同密度下的溫度曲線分析，得出特征分明的5階段特征曲線，5階段分別是初始波長階段、FBG植入階段、填充封裝階段、打印封頂階段及溫度回歸階段，并對其每一個階段的特征做了詳細的分析。

2）FBG傳感器植入瞬間所有不同填充密度試樣下FBG都監(jiān)測到溫度驟升現象，且隨著密度的增加，驟升量也在線性增加。驟升量過后，因為打印等待時間，會出現溫度緩慢下滑現象，且下滑量與模型填充密度正相關。

3）填充封裝階段，不同打印耗材與打印密度下，模型內部溫度都在由于耗材反復的逐層疊加呈現循環(huán)變化現象。此階段由于耗材逐層疊加，因此形成了熱量阻隔，所以埋置在耗材下方的FBG所感受到的溫度變化量逐漸減弱。同樣，隨著密度的增加也會出現同樣溫度阻隔效應，呈現出同樣的溫度變化量減弱趨勢。

4）在打印封頂階段發(fā)現，本模型中60%填充密度是熱量傳遞的臨界點。超過該臨界點后，熱量在耗材中的傳遞量開始小于熱量在耗材中的散失量。

5）使用了聚乳酸脂與碳纖維兩種不同的材料分別做了兩組對比試驗，發(fā)現碳纖維AM模型的最大核心溫度均高于聚乳酸脂模型，且在60%填充密度下達到了最大差值，此時碳纖維模型核心溫度較聚乳酸脂高5℃。