3D打印多種形貌CF/ABS復合材料扳手

馬曉坤,王 瑞,趙金德,陸書來,張扶搖

(1.吉林化工學院 石油化工學院，吉林 吉林 132023；2.吉林石化公司 合成樹脂廠，吉林 吉林 132021；3.中國石油華南化工銷售公司，廣東 廣州 510655)

扳手是一種利用杠桿原理擰轉螺栓、螺釘、螺母和其他螺紋緊持螺栓或螺母的開口的常用安裝與拆卸工具.在汽車、航空、航天、鐵道等不同行業中，螺紋副連接裝配作業對施加定量緊固力都有所要求；又因螺栓、螺釘、螺母等緊固件的大小尺寸不同，通常扳手都是以不同大小型號的一組形式配備使用.

特別是在高空作業過程中，技術人員更需要使用質輕且高強的扳手，防止意外脫手對其他人員造成意外傷害；或因扳手破損，而導致高空作業人員反復攀高而造成不安全因素的增加.因此，此種質輕、高強的碳纖維復合材料扳手具有其應用市場，值得進行推廣.

3D打印思想起源于19世紀末的美國，并在20世紀80年代得以發展和推廣.3D打印是科技融合體模型中最新的高“維度”的體現之一，3D打印機的出現顛覆了部件設計依賴于生產工藝能否實現的生產思路，任何復雜形狀的設計均可以直接從計算機圖形數據中生成，并通過3D打印機來實現.3D打印無需機械加工或模具，極大地所縮短了產品的生產周期，提高了生產率，具有巨大的市場潛力[1-3].

另一方面，碳纖維材料因其高強、高模、質輕等優勢已從高精尖的航空航天、風力發電、軍工產業逐步向民用、體育、娛樂等多個生活方面逐步拓展.而3D打印技術的發展，也亟待有更多的功能性新材料不斷地推陳出新,不再局限在聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯礬(PPSF)、ABS樹脂[4-5]等單一樹脂上.碳纖維復合材料進行快速生產，有利于提供更加高強、質輕的3D打印材料，有利于拓展碳纖維的應用領域向更加多元化的日常民品方面全面發展.

本文利用3D打印技術，將CF/ABS復合材料[6-7]設計制備了多種形貌的復合材料扳手，此種扳手的大小、口徑、厚度均可控制，且為相同尺寸制備的普通扳手質量的1/6，應用強度可達到使用要求，完全滿足質輕、高強、價格低廉的實際應用需要.

1 實驗部分

1.1 主要原料

碳纖維T300，吉林石化公司碳纖維廠；自制碳纖維上漿劑，其中含有醇羥基和環氧基團，吉林化工學院制備；丁二烯-苯乙烯-丙烯腈三元共聚粉料(CHT)、苯乙烯-丙烯腈二元共聚物(SAN)、乙撐雙硬脂酰胺(EBA)、硬脂酸鎂(MAGST)、抗氧劑二硬脂基季戊四醇二亞磷酸酯(SPEP)，化學純，吉林石化公司合成樹脂廠.

1.2 主要設備及儀器

雙螺桿擠出機，TE-35，南京科亞公司；HAAKE PolyLab QC 模塊化轉矩流變儀； 注塑機：EC130S，日本東芝；融流指數測試儀：CEAST 2708，Instron公司；懸臂梁沖擊強度測試儀：CEAST 9050，Instron公司；拉伸彎曲測試機：574洛氏硬度計，Wilson公司；太爾時代3D打印機，UP2，廣州極臻三維設備公司.

1.3 3D打印用CF/ABS復合材料的制備

按照實驗設計的配方將高抗沖丁二烯-苯乙烯-丙烯腈三元共聚粉料(CHT)、高流動苯乙烯-丙烯腈二元共聚物(SAN)、潤滑劑乙撐雙硬脂酰胺(EBA)、硬脂酸鎂(MAGST)、抗氧劑二硬脂基季戊四醇二亞磷酸酯(SPEP)等原料加入到高速混合機中，充分混合5 min后，將共混料加入到雙螺桿擠出機中熔融共混，并設置螺桿的升溫區域為220、230、235、240 ℃，螺桿轉速為120 r/min；將碳纖維絲束浸潤到自制上漿劑中，提高碳纖維的集束性，并改善碳纖維絲與ABS樹脂的相容性，將處理好的碳纖維絲束從中間喂料，擠出造粒，水冷卻后切成Φ3 mm×Φ3 mm圓柱狀產品，制備CF/ABS復合材料.

將所得的CF/ABS復合材料作為母料，調節ABS樹脂和復合材料的比例，在哈克單螺桿擠出機中并添加少許表面光亮劑、黑色母和潤滑劑，擠出溫度設置為230～250 ℃，螺桿轉速為20～25 mm/min，制備直徑為1.75 mm±0.05 mm寬的3D打印用CF/ABS復合材料線材.

1.4 CF/ABS復合扳手的設計打印

利用skecth-up軟件進行多種形貌扳手的打印建模，在3D打印機上設置打印溫度范圍為230～240 ℃，打印速度50 mm/s，打印精度0.15～0.4 mm，填充密度75%～100%，層高0.1 mm，壁厚0.8 mm等參數設置.就可以在電腦軟件中設計出不同口徑大小、長度、厚度以及是否中空等多種應用需求的扳手圖形.例如圖1為口徑26 mm長13.2 cm厚1.5 cm的普通呆扳手的設計圖，并利用這個3D打印呆扳手開啟氮氣鋼瓶的閥門.

圖1 3D打印CF/ABS呆扳手設計圖及應用展示

在此基礎上，利用3D打印設計方法可以制備多種形貌的CF/ABS復合扳手，適應于不同的工作需求，如圖2所示.

圖2 3D打印多種形貌CF/AB復合扳手

2 結果與討論

2.1 3D打印用CF/ABS復合材料的分析

將所得CF/ABS復合材料在80 ℃下進行干燥2 h，注塑成型進行性能測試.注塑機各段溫度分別為210、220、225、230 ℃；注塑壓力為100 MPa，冷卻時間為30 s.將測試樣條在恒溫避光條件下放置2 h后在室溫25 ℃下，進行性能測試.所有樣品的測試標準按照如下所述：懸臂梁沖擊強度按ASTM D256-1992測試；拉伸性能按 ASTM D638-1991測試；彎曲強度按 ASTM D790-1992測試；熔體流動速率按 ASTM D1238-2010測試；洛氏硬度按 ASTM D785-2003測試.

如表1所示，隨著碳纖維含量的增加，CF/ABS復合材料的沖擊強度和熔融指數逐漸降低，而拉伸強度、彎曲強度和洛氏硬度會有增高的趨勢.這主要是由于碳纖維無機相的加入到ABS彈性體中，會產生局部的相分離，雖然相容劑的存在可以改善這一現象，但是當受到沖擊時，會從產生的局部應力部位而快速斷裂，所以沖擊強度會隨著碳纖維含量的增加而快速的下降，但是在添加少量0.5%的碳纖維時，其沖擊強度仍達到17.26 kJ/m2，可以滿足一般的抗沖需要.同時，因為碳纖維在ABS樹脂中會明顯地降低熔融狀態的流動性，故復合材料的熔融指數明顯降低，但大于18 g/10 min的熔融指數是完全可以滿足3D打印需要的.相反，在碳纖維加入后，因碳纖維的絲狀結構會提高ABS樹脂的拉伸強度和彎曲強度，特別是硬度的提高，有益于制備的3D打印扳手具有良好的使用強度.

表1 不同CF/ABS復合材料的性能指標

2.2 3D打印用CF/ABS復合扳手生產技術優勢

FDM(Fused Deposition Modeling)3D打印技術因其機械結構最簡單，設計也最容易，制造成本、維護成本和材料成本也最低，是目前應用最廣的3D打印技術.FDM技術可以打印的材料包括ABS、聚碳酸酯、聚乳酸、聚苯礬等多種熱塑性樹脂，FDM是唯一使用工業級熱塑材料作為成型材料的積層制造方法.CF/ABS復合材料屬于改性的熱塑樹脂，在其熔融指數控制和熔融溫度調整下，完全適用于FDM3D打印技術，實現擠出并迅速凝固，完成逐層堆積，最后在空間上排列黏結結形成立體實物.

以3D打印碳纖維復合材料的扳手為例，制備方法簡單、便捷，以一個長13 cm的復合材料扳手為例，其厚度為1.5 cm，調整打印速度可以控制打印時間2～3 h.此種3D打印碳纖維復合材料扳手在實用性強，強度和硬度都可以與通用的市售扳手相比，卻具有質輕的優勢，扳手的質量約為同尺寸的普通扳手的1/6.因此3D打印用碳纖維/ABS復合材料的研發可以在更多的民用小制件上進行推廣.

2.3 3D打印用CF/ABS復合扳手生產成本優勢

以制備3D打印碳纖維/ABS復合材料的扳手為例，一個長132 mm口徑為26 mm，厚15 mm的呆扳手的制備時間為3 h，其質量約為20 g，按照上述的經費花費預算，3D打印碳纖維/ABS復合材料的價格可定為2萬/噸～2.8萬/噸(因碳纖維含量的不同而浮動)，可制備上述的3D打印呆扳手近5萬個，折合一個3D打印的呆扳手價格在0.4～0.56元一個，而實際上普通呆扳手的價格約為2元.簡單由此可見，3D打印碳纖維/ABS復合材料制備的制件有其價格優勢.

3 結 論

利用3D打印技術，制備一種更加適合打印的CF/ABS復合材料，通過建模打印多種形貌的CF/ABS復合扳手.這種復合扳手具有質輕、高強、制備快速、實用性強和價格低廉等眾多優勢.結合3D打印技術制備碳纖維復合材料制件，有利于拓展碳纖維復合材料在日常生活領域的應用.