聚乳酸/有機蒙脫土改性復合材料3D打印工藝的研究*

胡程誠，王成諾，耿廣旭，華 麗，孫岳玲，李 瑞

(揚州工業職業技術學院化工學院，江蘇 揚州 225127)

目前，聚乳酸材料已經廣泛的應用于熔融沉積成型3D打印領域，聚乳酸絲材有自身的缺點：強度和韌性比較差、打印中易斷絲、制品較脆等。因此如何改善聚乳酸材料的性能成為了人們研究的熱點[1-2]。本課題組早就對聚乳酸的改性做出了理論和實踐的研究[3]。研究發現蒙脫土可以作為一種增韌劑，與聚乳酸進行物理共混，很大程度上就改變了聚乳酸的韌性，機械強度的增加也使得聚乳酸和蒙脫土制出的納米復合材料在3D打印材料選擇和運用具有更大的競爭力。本文研究改性的PLA/O-MMT復合材料在3D打印的影響。

1 3D打印原理

實驗室的3D打印機采用熔融沉積建造模型這種3D打印技術利用電源加熱的方法將絲帶狀高分子材料加熱，達到材料的熔點，打印噴頭在電腦的程序控制下，沿軸向做平面運動。圖1是實驗室使用的兩種型號的打印機。工作臺對熔融狀態下的改性材料打印繪制，通過覆蓋在托盤上形成一層截面，然后精確的層層疊加，涂覆，一直到打印出和電腦上設計的實物一致的模型[4-5]。

圖1 3D打印機Fig.1 3D printer

2 實 驗

2.1 實驗材料

3D打印材料如表1所示。

表1 3D打印材料Table 1 3D printing material

2.2 實驗設備

桌面級3D打印機，杭州先臨三維科技股份有限公司；切片軟件，Print Rite CoLi DoRepetier-Host；TY-8000型電子萬能實驗機，江蘇天源實驗設備有限公司；TY-4020型簡支梁沖擊實驗機，江蘇天源實驗設備有限公司。

2.3 樣品制備

按照GB/T 1040.2-2006、ASTM-D256標準，制作尺寸如圖2所示的拉伸、沖擊用的試樣三維模型，并導出STL文件，按系統默認值設置時弦長、角度大小以及步長大小，接著按照表2參數信息用切片軟件切片打印，沿著樣品長度方向打印，45°角直線填充。

圖2 樣品尺寸Fig.2 Sample size

表2 樣品打印參數Table 2 Sample printing parameter

2.4 機械性能測試

本實驗主要測試了3D打印材料的拉伸性能，按照 GB/T1040.2-2006進行測試，確定拉伸速率為5 mm/min；沖擊性能按 ASTM-D256 測試，確定擺錘能量為5.5 J。研究了打印速度、打印溫度、填充密度、打印參數對3D打印產品機械性能的影響。

3 結果與討論

3.1 打印速度對樣品的影響

打印速度對聚乳酸/蒙脫土打印制品的影響如圖3所示，拉伸應力與應變曲線的關系圖。它的機械性能表現如圖4所示。從圖4可以看出，隨著打印速度的增大，樣品的強度就越差，變得越來越脆，打印速度為 60 mm/s 的拉伸強度比打印速度為20 mm/s降低了62%、打印速度為20 mm/s的沖擊強度比打印速度為20 mm/s降低了18%。產生這一現象的原因是在打印噴頭的快速移動中，產生振動和慣性，這些都造成打印產品精度的下降，從而產品強度降低。

圖3 不同打印速度時拉伸應力與應變曲線的關系圖Fig.3 The relationship between tensile stress and strain curve at different printing speed

圖4 打印速度對機械性能的影響Fig.4 The effect of printing speed on mechanical propertie

3.2 打印溫度對樣品的影響

打印溫度不同，產品的應力-應變曲線如圖5所示，打印溫度對機械性能的影響如圖6所示。

由圖6中可以得出，拉伸強度隨溫度的升高快速增強，而沖擊強度則快速下降，打印溫度為225 ℃ 的拉伸強度比打印溫度為195 ℃的拉伸強度，增加13%；打印溫度為225 ℃的沖擊強度比打印溫度為195 ℃時的沖擊強度減少了100%。這是因為在打印過程中聚乳酸/蒙脫土的材料分子會隨著打印噴頭運動，相互平行，隨著打印溫度的升高，一些排列好的塑料未被冷卻，就會留在樣品中，沿著打印方向會出現分子取向。樣品拉伸實驗時，分子取向與受力方向相同；樣品沖擊實驗時沖擊力與分子取向方向垂直。因此溫度越高，拉伸強度越大，沖擊強度越小。

圖5 不同打印溫度時拉伸應力與應變曲線的關系圖Fig.5 The relationship between tensile stress and strain at different printing temperature

圖6 打印溫度對機械性能的影響Fig.6 The effect of printing temperature on mechanical propertie

3.3 填充密度對樣品的影響

填充密度不同得到了產品應力-應變曲線如圖7所示，填充密度對機械性能的影響見圖8。

設置每層填充的角度其值范圍從0±180°。由圖8可知，隨著填充密度的增加，拉伸強度和沖擊強度都提高了，填充密度為50%的拉伸強度比填充密度25%的增加了32%；填充密度為50%的沖擊強度比填充密度25%增加了300%，探究原因是填充密度越大，打印耗材越多，強度就越高。

圖7 不同填充密度時拉伸應力與應變曲線的關系圖Fig.7 Relation between tensile stress and strain curves at different filling densitie

圖8 填充密度對機械性能的影響Fig.8 Effect of filling density on mechanical propertie

3.4 打印參數對樣品的影響

切片后，設置打印信息參數如表3所示。從表3中可以看出，打印時間越短，也就是打印的速度越快，打印耗材越小；此外，層的厚度會影響到3D打印的效果，層設置的越薄，打印時間會變長，但產品精度增高，反之，層設置的較厚，打印的速度雖然快了，但是打印的精度卻降低了。

表3 打印參數的設置Table 3 Settings of printing parameter

3.5 打印實物展示

選用PLA/MMT復合材料經拉絲以后用于3D打印，選用設定的程序和打印參數，打印出兩種成品，如圖9所示。由于聚乳酸/有機蒙脫土復合材料的缺點[5]，不適合打印形狀結構復雜、懸空結構多的精度和表面質量要求的產品和配件，目前在實驗室選用的實心的簡單玩具。

圖9 3D打印成品展示圖Fig.9 3D print the finished product displa

4 結論與展望

4.1 結 論

(1)設置打印信息參數，打印時間越短，打印耗材越小；層的厚度會影響到3D打印的效果，層設置的越薄，打印時間會變長，但產品精度增高。

(2)打印速度增大，樣品的強度就越差，變得越來越脆，

(3)打印溫度越高，樣品的拉伸強度越大，沖擊強度越小。

(4)填充密度越大，樣品的拉伸強度、沖擊強度就越大。

4.2 展 望

聚乳酸/蒙脫土納米復合材料擁有很好的生物相容性和降解性，被認為是非常好的生物高分子材料，這種材料 3D 打印的產品外表光滑，廣泛地應用于醫學領域。但由于3D 打印聚乳酸/蒙脫土納米復合材料成本比較高，材料的性能不夠完善，很難以滿足生產要求的品質。未來，低成本、高性能、實用性好的3D 打印復合材料仍將是人們研究的熱點[6]。聚乳酸/蒙脫土納米復合材料3D打印材料的性能會得到進一步的改進。