基于3D打印的聚合物成型加工綜合實驗設計

鄭妍妍，徐 軍

（清華大學 化學工程系，北京 100084）

我校化工系“聚合物成型加工實驗”是高分子專業本科生必修課程，包括擠出成型、注塑成型、模壓成型、吹塑薄膜成型、力學性能測試和流變性能測試等不同的加工測試過程，涉及材料物化性質、聚合物流變性、配方設計、機械設備和工藝條件優化等，具有知識點多、綜合性強及多學科交叉融合的特點。傳統課程模式中[1-3]，各個實驗環節相互獨立，學生依據聚合物結構—加工—性能之間關系的基本原理，應用不同加工機械制備制品，旨在夯實學生基礎知識、培養其動手操作和技術創新能力。隨著科學技術的不斷發展，聚合物成型加工新設備、新工藝不斷涌現，最典型的是近幾年快速發展的 3D打印技術。因此，基于3D打印技術創新實驗體系，既能使學生夯實相關的基本原理和基礎知識，又能緊跟科學技術前沿，成為當前聚合物成型加工實驗課程體系設計的核心關注點。

1 3D打印綜合實驗設計背景

3D打印通過逐層添加原料的方法形成三維物體，相比傳統的減材制造方式，具有設計靈活、模具限制少、廢料相對少等優勢[4]，在航天[5]、生物醫藥[6-7]、精細加工[8]等領域獲得了廣泛應用，未來的市場應用前景將更加廣闊。目前，制約 3D打印技術發展的一個關鍵瓶頸是材料種類少、性能低。因此，開發用于3D打印的聚合物材料，是國內外高分子行業的研究前沿之一。

熔融層積成型技術（fused deposition modeling，FDM）因操作簡便、成型速度快、設備投資低等優點，是目前應用最廣泛的3D打印技術[9]。FDM使用的3D打印材料主要為聚乳酸（polylactide，PLA）和丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物（acrylonitrile butadiene styrene，ABS）。其中，PLA為可降解材料，具有熔點較低、無異味和便于成型等優點，但同時存在脆性大、制品收縮率大等缺點[10]，其應用范圍在一定程度上受到了限制。通過增塑、共聚、共混等方式對PLA改性，是提高其 3D打印性能的有效方法，得到國內外學者的廣泛關注。

聚丁二酸丁二醇酯（PBS）是一種半晶型聚酯，具有良好的柔性、熱穩定性、生物降解性和可加工性。我校化工系徐軍課題組在PBS的合成、加工等方面進行了長期深入的研究[11-13]，依托相關技術，與安慶和興化工有限責任公司、新建藍山屯河化工股份有限公司合作建成了工業生產線[14]。但是，純PBS收縮率大，打印過程中會出現非常明顯的翹曲現象，不適合用作3D打印材料，而更適合作為改性材料用于改良其他塑料的韌性。徐軍課題組研究發現，將PLA與PBS共混，能有效提高純PLA的斷裂伸長率及沖擊強度[15]。徐軍課題組對PBS及其應用于3D打印過程的深入研究，為實驗教學的創新設計提供了良好的基礎。

基于以上背景，本文對傳統實驗課程中的獨立實驗項目進行整合，設計了“3D打印線材的制備及評價”綜合實驗。該實驗在完整保留傳統“聚合物成型加工實驗”基礎教學環節的同時，引入 3D打印，并將其作為實驗教學的最終落腳點，將我校具有自主知識產權、可生物降解的 PBS作為關鍵原料，以 PBS/PLA的共混改性作為主線，增加科研探索環節，大大激發了學生學術研究與工程實踐的志趣。

2 3D打印綜合實驗設計方案

3D打印綜合實驗包括“配方評價系統”和“3D打印線材制備系統”兩大模塊，“配方評價系統”既可以為 3D打印線材的制備過程提供理論指導，又能為配方的不斷優化提供方向。

圖1為3D打印綜合實驗方案示意圖。“配方評價系統”模塊包括配方設計、注塑成型實驗、模壓成型實驗、力學性能測試和流變性能測試等內容，這些內容根據實驗間的邏輯關系有序組合，學生可設計配方、制備樣條，并評價配方的力學和流變性能。“3D打印線材制備系統”模塊則按照生產加工流程，將混煉和單螺桿擠出傳統實驗項目與 3D打印有序串聯，制備線材并在3D打印機上進行打印，測試自制線材的3D打印性能。最后，學生對通過“配方評價系統”模塊得到的基礎數據進行分析，解釋線材的3D打印性能，推斷其使用性能并給出配方改進方案。

圖1 3D打印綜合實驗設計方案

為了保證 3D打印綜合實驗的教學效果，結合市場及研究現狀，建立了可不斷更新的基礎原料庫，用于實驗配方設計。目前原料庫提供的基礎原料包括：PLA（美國Nature Works公司，牌號2003D、2005HP、6302D、6400D、3D850、3D870），PBS（清華大學相關技術生產，牌號 TH803s），PLA 擴鏈劑（CE2101母料和CE4101母料），PLA增韌劑（CE4102母料），填料（滑石粉和碳酸鈣）。

具體實驗過程如下。

（1）配方設計。學生分組（2人一組）調研文獻，并基于實驗室提供的原料設計配方，與指導教師進行討論并確定最終設計方案。配方設計過程中，指導教師將統籌優化各組的設計方案，以使各組方案匯總后形成系統的研究方法，并利用各組最終實驗結果，得出配方組成影響產品性能的規律。

（2）PLA和PBS共混改性料制備。將配方原料在合適條件下進行干燥，根據配方稱量并預混原料；依據配方設置雙螺桿擠出機（南京科亞化工成套裝備有限公司，型號HK-26）各段溫度并恒溫至少30 min；加入預混的物料進行擠出，將穩定擠出的線材經冷卻水處理后送入切粒機，獲得粒料并稱重干燥備用。

（3）共混料流變性質測定。利用毛細管流變儀（Malvern公司，型號RH2000）測定共混物料的流變性能，得到不同配方共混物料的粘度-剪切速率曲線。

（4）共混料標準樣條成型。利用注射機（震雄公司，型號EM80-V）注射ISO標準樣條，包括拉伸樣條和帶缺口沖擊樣條（缺口深度為1.5 mm），各樣條合格品不少于6個。

（5）注射樣條拉伸與沖擊測試。利用萬能試驗機（金建檢測儀器有限公司，型號 UTM-1432）測試注射樣條拉伸性能，拉伸速率為50 mm/min（2 t力傳感器），獲得不同共混料的應力-應變曲線；利用沖擊測試機（金建檢測儀器有限公司，型號XJUD-5.5）獲得不同粒料的能量吸收和沖擊強度。

（6）3D打印線材制備。利用單螺桿擠出機（德國哈克公司，型號Rheomex 252p）搭配定制的線材收卷單元，制備 3D打印線材。單螺桿擠出機輸送段、壓縮段、計量段和機頭的溫度依據配方分別設定。通過調整螺桿轉速與收卷速度，確保線材直徑為 1.75±0.05 mm。

（7）線材 3D打印性能測試。利用 FDM桌面級3D打印機測試線材打印性能。打印溫度為 210 ℃，打印樣條設計尺寸為80 mm×10 mm×4 mm。測量打印樣條的實際尺寸，并基于設計尺寸計算材料的收縮率及翹曲率。

收縮率和翹曲率分別采用式（1）和式（2）計算：

式中，l0和 l分別為樣條的設計長度和實際長度，h0為樣條的設計厚度，h1、h2和h3分別為樣條左端、中部和右端的實際厚度。翹曲率定量描述了樣條兩端厚度相對于中心厚度的差別，相差越大說明樣條的翹曲越嚴重。若一端相對于中心向上翹曲，另一端相對于中心向下翹曲，則認為翹曲程度較低；若兩端同時向上或向下翹曲，則認為翹曲程度較高。

以上實驗過程形成了系統的研究體系，一方面保留了傳統實驗教學的所有環節，夯實了學生的基本原理和基礎知識；另一方面緊跟科學技術前沿，極大地激發了學生的研究興趣，培養了他們的科研及技術創新能力。

3 3D打印綜合實驗特色及效果

經過三年的教學實踐，3D打印綜合實驗項目已成為我校化工系高分子專業的一個智造平臺，“清華造”3D打印線材種類及數量不斷增多，積累了能用于指導工業生產的大量基礎數據，學生在實驗過程中做到了學以致用，教學效果顯著提高。

3.1 使用具有自主知識產權的生物可降解原材料

以具有自主知識產權的生物可降解聚合物為實驗原料，增加了實驗的探索性和趣味性，提升了學生對高分子專業的認同感和自豪感。在實驗教學中，通過引導學生關注當前聚合物材料的科技前沿和發展生物可降解材料的難點，加深了學生對生物可降解材料的理解，將可持續發展理念和環保理念融入了專業知識體系，激發了學生的科研志趣，培養了學生的時代使命感和責任感。

3.2 引入3D打印技術，有機整合傳統成型加工及材料檢測技術

3D打印技術正在迅速發展，目前能夠用于熔融層積 3D打印的聚合物材料種類較少，兩大常用材料的性能有待改進。通過 3D打印線材制備及性能評價，學生完成了配方設計以及線材的成型加工（包括擠出成型、注射成型、模壓成型等），研究了配方組分含量對材料流變性能、3D打印性能和制品力學性能的影響規律，將傳統成型加工及材料檢測技術有機整合成了一個專題實驗。該專題實驗結合科學技術前沿，鼓勵學生探索實驗過程所蘊含的科學問題，激發他們的學術研究與工程實踐興趣。

3.3 綜合學生各組實驗結果，形成系統的研究成果

通過系統的專題實驗能夠獲得不同配方改性材料的性能，以及改性材料對于 3D打印的適用情況。綜合各小組的研究結果，使系統性地開發適用于熔融層積的3D打印材料成為可能，并能夠研究影響3D打印材料性能的普適性條件。

3.4 考核過程注重培養學術創新能力及專業交流能力

為了培養學生的學術創新能力及專業交流能力，在實驗考核過程引入學術論文撰寫和學術會議交流。在實驗中，學生要獨立操作并詳細記錄實驗過程和結果，實驗結束后小組間要進行結果交流與討論，學生要根據不同小組間的實驗結果獨立撰寫科技論文，課程結束時還要組織學生開展學術交流活動。最終成績按照實驗操作20%、實驗報告20%、墻報及科技論文30%、學術答辯報告 30%的結構進行綜合評定，有利于培養學生的科學素養、團隊協作精神、溝通交流技巧和持續學習能力等。

4 結語

本文以我校自主研發的生物可降解聚合物為原材料，以生產 3D打印用線材為主線，通過系統整合傳統成型加工及材料檢測技術，設計了 3D打印綜合實驗。在實驗流程上，該實驗各項目間承上啟下，體現了聚合物成型加工過程的工程系統性；在配方設計上，實驗被設計為不同小組共同完成的對比實驗，使實驗結果形成系統的 3D線材研究數據，培養了學生的科研素養；在實驗考核上，增加了數據分享及學術交流內容，重視對學生實驗創新能力和專業交流能力的培養。“聚合物成型加工實驗”課程集趣味性、前瞻性、專業性和創新性于一體，有效實現了對知識的集成和綜合應用，并將時代使命感和合作精神融入課程教學及考核，體現了我校“三位一體”的教育理念。

本論文在清華大學教學改革項目資助下完成，在此表示感謝。