3D打印工藝參數(shù)對PLA/PTW 共混物力學(xué)性能影響的研究

馬秀清，勞志超，李明謙，韓順濤，胡 楠

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.中國核電工程有限公司，北京 100840；3.航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京 100074）

0 前言

3D 打印技術(shù)是一種將材料逐層堆積創(chuàng)建三維實(shí)體的增材制造技術(shù)［1-2］，具有設(shè)計靈活性高、成本低和制造周期短等特點(diǎn)［3］，廣泛應(yīng)用于航空航天［4］、生物醫(yī)療［5］、汽車［6］和建筑［7］等工業(yè)制造領(lǐng)域［8］。其中3D打印中的熔融沉積成型（FDM）工藝因具有效率高、操作簡便和成型材料豐富等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用［9-11］。

聚乳酸（PLA）是一種通過可再生植物資源制備出來的脂肪族熱塑性聚酯材料［12］，具有良好的生物相容性［13］、生物可降解性［14］和加工性能［15］等，是FDM 工藝中最熱門的加工材料之一［16］，但是PLA 存在脆性大［17］、抗沖擊性能差［18］以及打印中易斷裂等缺陷，限制了其在FDM 工藝中更廣泛地應(yīng)用［19］，通常需對PLA進(jìn)行改性來提高其力學(xué)性能［20-21］。乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸縮水甘油酯共聚物（PTW）是一種帶有環(huán)氧基團(tuán)和羰基的低結(jié)晶度共聚物，可與羧基、羥基和氨基等基團(tuán)反應(yīng)［22］，具有優(yōu)異的反應(yīng)性和韌性，常作為聚合物的增容劑和沖擊性能改性劑［23］。Zhao等［24］研究了PTW 對PLA 力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)PTW 添加量為20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，相比于純PLA，共混物的沖擊強(qiáng)度提升了近10 倍，達(dá)到54.1 kJ/m2。另外，在3D 打印中的FDM 工藝下，根據(jù)不同打印材料的熱力學(xué)屬性，選取合適的打印溫度、打印平臺溫度、打印速度、層厚、填充角度等工藝參數(shù)也常會對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響［25-26］，這些參數(shù)設(shè)置不符會導(dǎo)致試樣翹曲變形、層間黏合性差、噴頭堵塞等問題［27］。為提高FDM 打印材料的力學(xué)性能，近年來，許多學(xué)者對3D 打印工藝參數(shù)開展了廣泛研究。徐良文等［28］研究了填充方向和打印層高等3D 打印工藝參數(shù)對PLA 拉伸性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)填充方向為65°/115°時，PLA 的拉伸強(qiáng)度比填充方向為15°/165°時高19.3 MPa，同時，當(dāng)打印層高為0.15 mm時，PLA的拉伸強(qiáng)度最大，達(dá)到46.60 MPa。鄭玲等［29］在研究3D 打印工藝參數(shù)對PLA 力學(xué)性能的影響時，采用正交實(shí)驗的方法優(yōu)化了壁厚（邊緣寬度）、封閉面厚度、填充率、打印頭溫度、打印速度等參數(shù)，結(jié)果表明，當(dāng)壁厚為0.8 mm、封閉面厚度為0.6 mm、填充率為60%、噴頭溫度為200 ℃、打印速度為60 mm/s 時，打印出的PLA 的綜合力學(xué)性能最佳。夏新曙等［30］同樣采用正交實(shí)驗的方法研究了3D打印工藝參數(shù)對PLA/TPU 共混物沖擊性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)?shù)装鍦囟葹?0 ℃、噴嘴溫度為190 ℃、沉積方式為45°/45°、打印層厚為0.4 mm、打印速度為45 mm/s時，共混物的沖擊強(qiáng)度最佳。

綜上所述，優(yōu)化3D 打印工藝參數(shù)對提高共混物的力學(xué)性能具有重要意義，本文基于3D 打印中的FDM工藝制備了PLA/PTW 共混物，通過單因素實(shí)驗研究噴頭溫度、打印平臺溫度和打印速度對PLA/PTW 共混物力學(xué)性能的影響，并基于此選出合適的水平參數(shù)范圍進(jìn)行正交實(shí)驗，研究上述3個工藝參數(shù)對共混物力學(xué)性能的影響程度，優(yōu)化3D 打印工藝參數(shù)，以期進(jìn)一步提升PLA/PTW 共混物的力學(xué)性能。

1 實(shí)驗部分

1.1 主要原料

PLA，4032D，美國Nature Works公司；

PTW，Elvaloy，美國DuPont公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

干燥箱，101-1BS，浙江力辰科儀公司；

高速混合機(jī)，GH-10，北京塑料機(jī)械廠；

嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)，LSM30/34，德國Leistritz公司；

錐形雙螺桿擠出機(jī)，SHINO，張家港市聯(lián)江機(jī)械有限公司；

電子天平，BP-323A+，上海奔普儀器科技有限公司；

熔融沉積3D 打印機(jī)，繪威，珠海連盛電子科技有限公司；

萬能材料試驗機(jī)，INSTRON-3365，美國INSTRON公司；

塑料沖擊試驗機(jī)，PTM1100-B，深圳三思縱橫公司。

1.3 樣品制備

熔融造粒：首先將PLA 在80 ℃干燥箱中干燥8 h，PTW 在40 ℃干燥箱中干燥2 h；再將PLA/PTW 按照質(zhì)量份（100/10）加入高速混合機(jī)中常溫下攪拌10 min，混合均勻后經(jīng)喂料裝置加入到雙螺桿擠出機(jī)熔融、擠出、經(jīng)水冷卻后并造粒，其中，雙螺桿轉(zhuǎn)速為40 r/min，喂料螺桿轉(zhuǎn)速為50 r/min，螺桿構(gòu)型和各段溫度分別如圖1 和表1所示；其中，SE45/120：導(dǎo)程為45 mm，長度為120 mm的螺紋元件；KB60/60°：長度為60 mm，錯列角為60°捏合塊元件；SME20/60：導(dǎo)程為20 mm，長度為60 mm的開槽螺紋元件；其余以此類推。

表1 機(jī)筒各段及機(jī)頭溫度設(shè)定值Tab.1 Each barrel section and head temperature setting values

圖1 螺桿構(gòu)型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the screw configurations

絲材制備：將PLA/PTW 共混物顆粒在70 ℃下干燥12 h后加入到錐形雙螺桿擠出機(jī)制備PLA/PTW 復(fù)合絲材，如圖2所示，機(jī)筒各段和機(jī)頭溫度依次為：170、180、170、160、160 ℃，錐形雙螺桿轉(zhuǎn)速為25 r/min，喂料螺桿轉(zhuǎn)速為45 r/min，風(fēng)冷牽引機(jī)轉(zhuǎn)速為42 r/min；

圖2 PLA/PTW 改性絲材Fig.2 PLA/PTW modified silk material

試樣打印：首先送絲裝置將絲材輸送到噴頭處，經(jīng)噴頭將絲材加熱至熔融狀態(tài)，然后噴頭按照計算機(jī)軟件設(shè)定軌跡移動，將熔絲擠出在打印平臺上沉積成型，制備試樣，如圖3～4所示，其中沖擊試樣填充率為100%，拉伸試樣填充率為10%。

圖3 FDM式3D打印示意圖Fig.3 Schematic diagram of FDM 3D printing

圖4 3D打印中的試樣Fig.4 Sample of 3D printing

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

沖擊強(qiáng)度：根據(jù)GB/T1843—2008 標(biāo)準(zhǔn)測試，采用U 型，長度為80 mm，寬度為10 mm，厚度為4 mm 的無缺口試樣，擺錘勢能為4 J；

拉伸強(qiáng)度：根據(jù)GB/T 1040.1—2018標(biāo)準(zhǔn)測試，試樣長度為150 mm，寬度為10 mm，厚度為4 mm，拉伸速率為50 mm/min；

綜合力學(xué)性能：為了更準(zhǔn)確地優(yōu)選適用于PLA/PTW 共混物的3D 打印工藝參數(shù)，定義綜合力學(xué)性能指數(shù)N1評價各工藝參數(shù)組合下共混物的綜合力學(xué)性能，計算公式如式（1）所示：

式中I——沖擊強(qiáng)度，kJ/m2

T——拉伸強(qiáng)度，MPa

A——沖擊強(qiáng)度權(quán)重系數(shù)，取值為1

B——拉伸強(qiáng)度權(quán)重系數(shù)，取值為1

單因素實(shí)驗設(shè)計：對噴頭溫度、打印平臺溫度和打印速度進(jìn)行單因素實(shí)驗，采用拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度作為評價指標(biāo)，并計算特征量的平均值和極差，設(shè)計方法如下：（1）噴頭溫度：保持打印平臺溫度和打印速度分別為60 ℃和60 mm/s，以噴頭溫度為變量，分別設(shè)定為190、200、210、220、230 ℃；（2）打印平臺溫度：保持噴頭溫度和打印速度分別為210 ℃和60 mm/s，以打印平臺溫度為變量，分別設(shè)定為40、50、60、70、80 ℃；（3）打印速度：保持噴頭溫度和打印平臺溫度分別為210 ℃和60 ℃，以打印速度為變量，分別設(shè)定為40、50、60、70、80 mm/s；

正交實(shí)驗設(shè)計：為探究多個工藝參數(shù)之間的組合對PLA/PTW 共混物力學(xué)性能的影響，基于單因素實(shí)驗結(jié)果，確定噴頭溫度、打印平臺溫度和打印速度合適的水平參數(shù)范圍，并設(shè)計正交實(shí)驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗結(jié)果分析

2.1.1 噴頭溫度對PLA/PTW共混物力學(xué)性能的影響

圖5 為PLA/PTW 共混物在不同噴頭溫度下的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，可以看出，共混物的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均隨噴頭溫度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，當(dāng)噴頭溫度為210 ℃時，共混物的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均達(dá)到最大，比噴頭溫度為190 ℃時高1.93 kJ/m2和0.87 MPa，這是因為噴頭溫度的升高，PLA/PTW共混物的流動性和黏性得到改善、層與層間的黏合性變好，能夠有效提高共混物的力學(xué)性能；但是，當(dāng)噴頭溫度繼續(xù)增加230 ℃時，共混物的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度反而又相比于210 ℃時降低了0.63 kJ/m2和0.54 MPa，這是因為噴頭溫度的持續(xù)升高導(dǎo)致共混物的黏度降低、流動性增加，在打印過程中熔絲受重力的影響會產(chǎn)生漏流，造成共混物的力學(xué)性能降低。

圖5 噴頭溫度對PLA/PTW 力學(xué)性能的影響Fig.5 Effect of nozzle temperature on mechanical properties of the PLA/PTW

2.1.2 打印平臺溫度對PLA/PTW 共混物力學(xué)性能的影響

圖6 為PLA/PTW 共混物在不同打印平臺溫度下的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，可以看出，共混物的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均隨打印平臺溫度的增加而增加，當(dāng)打印平臺溫度為80 ℃時，共混物的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度比打印平臺溫度為40 ℃時高1.98 kJ/m2和0.88 MPa，這是因為打印平臺溫度的升高不僅可以有效降低試樣的冷卻速率，促進(jìn)共混物結(jié)晶，使高分子鏈有充分時間進(jìn)行應(yīng)力松弛、消除內(nèi)應(yīng)力，在一定程度上防止試樣翹曲變形、提高強(qiáng)度，同時還能提高層間黏接強(qiáng)度，進(jìn)一步提升共混物的力學(xué)性能。

圖6 打印平臺溫度對PLA/PTW 力學(xué)性能的影響Fig.6 Effect of printing platform temperature on mechanical properties of the PLA/PTW

2.1.3 打印速度對PLA/PTW 共混物力學(xué)性能的影響

圖7 為PLA/PTW 共混物在不同打印速度下的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，可以看出，共混物的沖擊強(qiáng)度隨打印速度的增加而降低，當(dāng)打印速度為40 mm/s 時，共混物的沖擊強(qiáng)度比打印速度為80 mm/s時高4.26 kJ/m2，這是因為打印速度過快使熔絲在噴頭中的停留時間變短、溫度較低，同時擠出熔絲的直徑會因拉伸作用變細(xì)、填充密度降低、層間的黏合性變差，且未能黏合牢固的熔絲還容易被拉伸錯位，導(dǎo)致共混物的沖擊強(qiáng)度降低；PLA/PTW 共混物拉伸強(qiáng)度隨打印速度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，當(dāng)打印速度為40 mm/s時，共混物的拉伸強(qiáng)度比打印速度為50 mm/s 時低0.39 MPa，這是因為打印速度過低會導(dǎo)致層間熔絲堆積時間變長、溫差變大、層間黏合性變差，造成共混物的拉伸強(qiáng)度降低；但是，當(dāng)打印速度繼續(xù)增加80 mm/s時，共混物的拉伸強(qiáng)度反而相比于50 mm/s 時降低了1.1 MPa，這同樣是因為打印速度過快導(dǎo)致熔絲在噴頭中的停留時間變短、溫度較低，造成共混物的拉伸強(qiáng)度降低。

2.2 正交實(shí)驗結(jié)果及分析

基于單因素實(shí)驗結(jié)果，確定各因素合適的水平參數(shù)范圍：噴頭溫度為200～220 ℃、打印平臺溫度為60～80 ℃、打印速度為40～60 mm/s，使用三因素三水平正交實(shí)驗方法，選擇L9（34）正交實(shí)驗表設(shè)計正交實(shí)驗，如表2所示。表3 為噴頭溫度、打印平臺溫度以及打印速度的正交實(shí)驗結(jié)果。

表2 三因素三水平正交實(shí)驗方案Tab.2 Three-factor three-level orthogonal experimental protocol

表3 正交實(shí)驗結(jié)果Tab.3 Results of orthogonal experiment

2.2.1 沖擊強(qiáng)度分析

表4 為PLA/PTW 共混物沖擊強(qiáng)度的均值與極差分析結(jié)果，可以看出，各因素對共混物沖擊強(qiáng)度的影響程度從大到小依次為打印速度（C）、噴頭溫度（A）和打印平臺溫度（B），其中打印速度的極差（R）值分別比噴頭溫度和打印平臺溫度的R 值高22%和128%，表明打印速度是影響共混物沖擊強(qiáng)度的重要因素；通過對比同一因素下不同水平K（同一水平指標(biāo)下總和的均值）值的大小，可以看出，當(dāng)3D 打印工藝參數(shù)組合為A2B3C1時，PLA/PTW 共混物的沖擊強(qiáng)度最大，達(dá)到30.23 kJ/m2，即噴頭溫度為210 ℃、打印平臺溫度為80 ℃、打印速度為40 mm/s。

表4 沖擊強(qiáng)度的均值與極差Tab.4 Average and range of the impact strength

2.2.2 拉伸強(qiáng)度分析

表5 為PLA/PTW 共混物拉伸強(qiáng)度的均值與極差分析結(jié)果，可以看出，各因素對共混物拉伸強(qiáng)度的影響程度從大到小依次為噴頭溫度（A）、打印速度（C）和打印平臺溫度（B），其中噴頭溫度的R 值分別比打印平臺溫度和打印速度的R 值高110%和11%，表明噴頭溫度是影響共混物拉伸強(qiáng)度的重要因素；通過對比同一因素不同水平的K 值大小，可以看出，當(dāng)3D 打印工藝參數(shù)組合為A2B3C2時，PLA/PTW 共混物的拉伸強(qiáng)度最大，即噴頭溫度為210 ℃、打印平臺溫度為80 ℃、打印速度為50 mm/s。

表5 拉伸強(qiáng)度的均值與極差Tab.5 Average and range of the tensile strength

2.2.3 綜合力學(xué)性能分析

表6 為PLA/PTW 共混物綜合力學(xué)性能指數(shù)的均值與極差分析結(jié)果，可以看出，各因素對PLA/PTW 共混物綜合力學(xué)性能的影響程度從大到小依次為噴頭溫度（A）、打印速度（C）和打印平臺溫度（B），其中噴頭溫度的R 值分別比打印平臺溫度和打印速度的R 值高48%和4.4%，表明噴頭溫度是影響共混物綜合力學(xué)性能的重要因素；通過對比同一因素不同水平的K 值大小，當(dāng)3D打印工藝參數(shù)組合為A2B3C1時，PLA/PTW共混物的綜合力學(xué)性能最大，達(dá)到49.02，即噴頭溫度為210 ℃、打印平臺溫度為80 ℃、打印速度為40 mm/s。

表6 綜合力學(xué)性能指數(shù)的均值與極差Tab.6 Average and range of comprehensive mechanical property index

3 結(jié)論

（1）PLA/PTW 共混物的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均隨噴頭溫度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當(dāng)噴頭溫度為210 ℃時，共混物的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度達(dá)到最佳；均隨打印平臺溫度的增加而增加的趨勢，當(dāng)打印平臺溫度80 ℃時，共混物的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度達(dá)到最佳；均隨打印速度的增加表現(xiàn)出下降的趨勢，共混物的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別在打印速度為40 mm/s 時和50 mm/s時達(dá)到最佳；

（2）噴頭溫度對PLA/PTW 共混物的綜合力學(xué)性能影響程度從大到小依次為：噴頭溫度、打印速度、打印平臺溫度；

（3）PLA/PTW 共混物的最佳工藝參數(shù)組合為：噴頭溫度210 ℃、打印平臺溫度80 ℃和打印速度40 mm/s，此時PLA/PTW 共混物的綜合力學(xué)性能最佳，沖擊強(qiáng)度達(dá)到30.23 kJ/m2，拉伸強(qiáng)度達(dá)到18.79 MPa。