紅外加熱管在3D 打印預熱工藝中的應用

夏金飛

（上海開若納科技有限公司，上海200125）

1 概述

橡樹嶺國家實驗室已經開發了大面積增材制造(BAAM)系統，這是一個大規模的基于烤箱外擠壓的3D 打印機，能夠更快、更便宜地制造大型部件。目前的系統構建體積為6 m×2.5 m×1.8 m，沉積速率可達50 kg/h，因此有用于汽車、航空航天和能源行業3D 打印組件的潛力。該系統的原料是熱塑性或纖維增強的熱塑性粒料，其通過單螺桿擠出機熔融和擠出并沉積在加熱的印刷床上。這提供了一個額外的優勢，那就是顆粒的成本幾乎是長絲原料的20 倍。目前限制BAAM印刷部件功能使用的一個問題是機械各向異性。在構建方向(z 方向)上，打印部件跨連續層的強度可以顯著低于相應的平面內強度(x-y 方向)。采用20%短切碳纖維增強的丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)在BAAM 上印刷的構件，其z 向拉伸強度比相應的平面強度低85%左右。甚至在小尺度的長絲擠壓過程中也有類似的機械各向異性現象。在FDM?過程中，界面的溫度歷史已經被確定為決定層間粘結質量和整體零件強度的一個重要參數。這是因為層與層之間的主要鍵合機制是熱熔合與聚合物互擴散，這取決于半熔融聚合物的熱能以及層與層之間的接觸面積。當沉積的長絲溫度長期高于玻璃化轉變溫度(Tg)時，界面發生分子間擴散，導致界面處的機械強度增大。然而，在BAAM等體系生產較大的零件時，層間時間會非常長，使表面溫度大大低于聚合物的玻璃化轉變溫度（Tg），導致層間鍵合較弱。

因此，這項研究探索了利用紅外(IR)輻射在印刷層的下一層沉積之前對其表面進行預熱。目的是增加底層的表面溫度，使其高于材料的玻璃化轉變溫度，以改善印刷部件的層間強度。本工作中的測試部件是垂直印刷的單珠（或道路）中空結構，因此僅在z 方向上具有依賴于印刷的各向異性。

2 實驗過程

使用定制螺桿設計在BAAM系統上印刷薄壁測試組件，直徑為25mm，L / D 比為12：1。建立的紅外預熱實驗裝置示意圖如圖1 所示，主要包括擠出機、紅外光燈、熱端高溫計和冷端高溫計四個關鍵部件;在打印時，所有這些都作為一個單元移動。紅外燈盡可能靠近擠出機噴嘴，以減少沉積前的冷卻，定位高溫計監測初始表面溫度(Tcold)和紅外加熱后的表面溫度(Thot)。高溫計溫度之間的差異估計為表面紅外加熱的程度。

圖1 實驗裝置的示意圖

圖2 所示為打印組件中任意層(n 層)的時間- 溫度剖面示意圖。對于較大的零件，沉積時間通常足夠長，使沉積材料從沉積溫度(Tdep)冷卻到低于材料玻璃化轉變溫度(Tcold)。對于較大的零件，沉積時間通常足夠長，使沉積材料從沉積溫度(Tdep)冷卻到低于材料玻璃化轉變溫度(Tcold)。沉積層的冷卻速率取決于若干變量，例如周圍幾何形狀，環境溫度，工具路徑圖案和材料熱性質。當紅外燈通過之前沉積的層時，在沉積下一層(n + 1層)之前，預計表面溫度(Thot)將略高于玻璃化轉變溫度Tg。同樣地，紅外燈的加熱效率將取決于距離、視角、功率密度和行進速度等變量。

圖2 時間- 溫度剖面示意圖

在本研究中，印刷所用的材料為從Techmer ES 采購的丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)球團，填充20%切碎的碳纖維(Electrafil J-1200)。將進料在～80℃下干燥4 小時并在～65℃下儲存。 然后將該材料在215℃（Tdep）下沉積在～95℃的加熱床上。 在印刷時，在擠出機噴嘴的緊鄰處使用z 型搗固附件，以獲得平整的表面并增加層間的接觸面積。校準紅外高溫計(型號:來自Omega的OS552A-MA-6)，并將其安裝沉積頭上，距離約為15 cm。

圖3(a)條件1 的紅外燈位置;(b)條件2 和(c)條件3

3 表面溫度

圖4(陰影部分)顯示了在紅外預熱(Tcold)之前的典型沉積珠的溫度，以及每種沉積條件下紅外加熱所產生的透熱的測量值(未陰影部分)和理論值(三角形)。這里所示的實驗數據要么是直接安裝在沉積頭上的高溫計估算出來的(圖1)，要么是直接用手持高溫計測量出來的，因為安裝在高溫計上的記錄數據有很大的變異性。

圖4 表面溫度

比較條件1 下各種打印速度下的未加熱的基析溫度（Tcold），隨著打印速度的增加，觀察到輕微的增加。 這是因為隨著打印速度的增加，打印每層所花費的時間減少，從而減少了在下一層沉積之前的冷卻程度。 另一方面，在三種不同的實驗條件下比較相同速度（3.8cm / s）的未加熱的基析溫度（Tcold）也顯示出增加。 這是因為通過減小支座距離或增加燈的強度，在每種情況下將更多的輻射能量傳遞到材料。另外，由于較大的噴嘴，條件3 的珠粒寬度較高，這降低了表面與體積比，因此降低了沉積珠粒的冷卻速率。

表面溫度的升高也取決于打印速度，因為它決定了在給定區域內紅外輻射的曝光時間。從實驗數據中可以看出，每一種情況下，紅外加熱都會使表面溫度升高。在條件1 下，三種打印速度的升溫幅度都在10-25℃之間。由于減少了對峙距離和增加了強度，預計在2 和3 條件下加熱量將大幅度增加。雖然條件3 的平均升溫幅度約為90℃，但條件2 的實測升溫幅度小于預期。這可能是由于安裝在擠出頭的光學高溫計的數據質量較差，由于空間限制，很難與沉積的熔珠對齊。

4 結論

本研究演示了紅外預熱技術，作為提高印刷件層間強度的一種方法，在大面積增材制造系統上的實驗設計和應用。該裝置由擠出機系統、高溫計和紅外線燈組成，在下一層材料沉積之前加熱打印層的表面。高溫計在紅外加熱之前和之后監測一層的表面溫度。大六角是由碳纖維增強ABS 打印，用于三種不同的打印速度和加熱配置。紅外燈是用來提高層間鍵合溫度和提高印刷部件的層間強度的有效方法，在一定條件下，可以超過兩倍的平均斷裂能量。研究發現，當基底材料冷卻到玻璃化轉變溫度以下，并且在沉積下一層之前，利用紅外預熱將襯底適度加熱到玻璃化轉變溫度（Tg）以上時，對層間鍵合溫度的主動控制是最有效的。在這一領域的未來研究是需要細化紅外燈的結構和改善主動控制基底溫度。