超大尺度高分子復合材料3D打印工藝參數研究*

陸承麟，陳曉明，周 鳴，石 峰

(1.上海建工集團股份有限公司，上海 200080；2.上海市機械施工集團有限公司，上海 200072；3.上海面向典型建筑應用機器人工程技術研究中心，上海 200072；4.上海酷鷹機器人科技有限公司，上海 201906)

0 引言

3D打印技術即快速成型技術，也稱為增材制造技術，以數字模型文件為基礎，采用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通常采用數字技術材料打印機，通過逐層打印的方式構造物體。

現階段，桌面3D打印技術已被廣泛應用于教育、珠寶、文創等領域，工業級3D打印技術由于具有制造速度快、可助力產品迭代等特性，在航空航天、汽車等高科技領域得到廣泛認可，在生產鏈中已替代部分老舊工藝。美國已采用復合碳纖維高分子材料增材制造技術打印了船體、風電葉片等，如圖1所示。

圖1 美國緬因大學3D打印游艇

超大尺度增材制造技術相關工藝仍需進一步深入研究，為此，本文基于打印線寬、擠出轉速、設備運動速度等主要打印參數，研究參數之間的關系，為工藝優化提供參考。

1 打印材料

本研究采用的打印材料為適用于超大尺度增材制造技術標準的直徑3mm顆粒料，基材選用3種具有代表性的材料，分別為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，丙烯酸酯類橡膠體與丙烯腈、苯乙烯的接枝共聚物(ASA)及聚酰胺6(尼龍6)，分別采用復合20%玻璃纖維及20%碳纖維的方式，制成高分子復合材料，如圖2所示。

圖2 高分子復合材料

經打印測試可知，打印材料具有高耐候性、高物理機械性、高打印穩定性，且綠色環保，可回收作為二級材料使用。

2 打印裝備

本研究采用的打印裝備為超大尺度高分子復合材料增減材一體化龍門式打印機，主要由龍門式運動平臺、高流量擠出裝置、5軸聯動加工頭、工作平臺、數控系統、操作系統等組成，如圖3所示。高流量(22kg/h)擠出裝置如圖4所示。

圖3 超大尺度高分子復合材料增減材一體化龍門式打印機

圖4 高流量擠出裝置

整套打印設備打印空間范圍為15m×4m×1.5m，穩定運動速度為10 000mm/min，定位精度為±0.1mm，打印速度為12kg/h，打印噴頭口模直徑為5～8mm，可驗證的打印系統連續穩定工作時長≥720h。

3 打印參數關系研究

3.1 主要參數

超大尺度高分子復合材料增材制造工藝參數中，單道打印線寬指單次循環形成的曲面體(沿熔融沉積厚度方向排列)完成面內側到外側的距離，如圖5所示；單層打印層高指單次循環形成的具有一定厚度曲面體(沿熔融沉積堆積方向排列)完成頂面到前層完成頂面的距離，如圖6所示；高流量擠出裝置轉速指單位時間熔融材料從口模擠出后的運動距離；打印運動機構移動速度指單位時間熔融材料運動距離；層間黏結強度指打印零部件逐層打印時，相鄰打印層之間的結合力；材料玻璃化溫度指無定形聚合物或半結晶聚合物中的無定形區域從黏流態或橡膠態轉變為堅硬、相對脆的玻璃態時，近似2種狀態中間的溫度。

圖5 單道打印線寬示意

圖6 單層打印層高示意

3.2 參數關系擬合

實際打印過程中，不同的應用場景應配置不同的打印參數，而打印參數常通過人工打印測試確定，費時費力。為此，收集多次打印測試參數值，總結經驗值，可通過構件數學模型結合試驗驗證的方式證明根據參數經驗值建立的數學模型可靠性。

由多次打印測試可知，高流量擠出裝置轉速越大，流量越大，單道打印線寬越寬，即單道打印線寬與高流量擠出裝置轉速成正比；打印運動機構移動速度越快，單道打印線寬越窄，即單道打印線寬與打印運動機構移動速度成反比。基于此，可建立如下數學模型：

w=Ks/f

(1)

式中：w為單道打印線寬；K為系數，本研究取 63.53；s為高流量擠出裝置轉速；f為打印運動機構移動速度。

系數K需要推導，確定該值后，后期工藝優化及生產時可通過式(1)計算相關工藝參數，以指導打印工作。為確定K值，采用方形打印測試模型，通過控制打印運動機構移動速度，收集高流量擠出裝置轉速、單道打印線寬數據(見表1)，將表1數據導入MATLAB軟件中進行計算，借助cftool命令進行一元線性擬合。經一元線性擬合得出95%的數據為置信數據，排除另外5%偏差過大的數據。計算得到K值范圍為60.09～66.97，平均值為63.53。

表1 打印參數值

3.3 打印構件溫度場

以材料熱歷史為基礎，研發打印材料、工藝和裝備，材料、工藝和裝備良好配合可實現高效、高質量的打印。

超大尺度高分子復合材料增材制造過程中熱歷史表征方法如圖7所示。采用紅外熱像儀監測打印過程中打印構件單層溫度變化情況，記錄打印構件開裂、翹曲情況。打印過程中，熔融材料擠出后層層疊加堆積，隨著熔融材料冷卻定形，當熔融材料溫度高于玻璃化溫度時，分子鏈段具備運動能力，可實現材料內應力的釋放、分子鏈擴散及層間黏結。對每層溫度變化情況進行記錄至關重要，可用于衡量材料打印性。

圖7 熱歷史表征示意

需引入2個主要打印測試過程參數：①單層打印時間 用于衡量打印速度，打印速度越快，單層打印時間越短；②前層打印起始點溫度 打印前層時，后層經歷1次單層打印時間冷卻后的溫度，用于衡量打印層冷卻速度。

本次測試采用單一變量控制法，設定高流量擠出裝置3段熔融溫度為固定值，分別為210，245，230℃，打印速度為12kg/h，單道打印線寬為12mm，單層打印層高為3mm，環境溫度為30℃，測試層為20層時，3種高分子復合材料打印測試過程參數統計結果如表2所示。熱歷史曲線分別如圖8～10所示。

表2 高分子復合材料打印測試過程參數統計結果

由表2可知，打印過程中單層打印時間越短，3種高分子復合材料打印構件前層打印起始點溫度越高，玻璃化溫度以上停留時間越長(玻璃纖維增強ASA工程塑料和碳纖維增強ABS工程塑料打印構件尤為明顯)。這是因為單層打印時間越短，打印噴頭運動速度越快，使下層復合材料降溫時間越短，復合材料殘余溫度越高，前層打印起始點溫度越高，進而延長玻璃化溫度以上停留時間。由于玻璃纖維增強ASA工程塑料和碳纖維增強ABS工程塑料打印構件加工溫度相近，因此前層打印起始點溫度和玻璃化溫度以上停留時間較接近。而玻璃纖維增強尼龍6打印構件加工溫度更高，因此前層打印起始點溫度較高，且玻璃化溫度以上停留時間較長。

圖8 玻璃纖維增強ASA工程塑料打印構件熱歷史曲線

圖9 碳纖維增強ABS工程塑料打印構件熱歷史曲線

圖10 玻璃纖維增強尼龍6打印構件熱歷史曲線

結合多次測試結果可知，玻璃化溫度以上停留時間與材料擠出溫度、打印運動機構移動速度、打印速度、環境溫度、單位體積儲熱量成正比，與單層打印時間成反比。

打印過程中打印構件翹曲和開裂情況如表3所示。由表3可知，碳纖維增強ABS工程塑料打印性最佳，單層打印時間為110，310s時均未出現翹曲、開裂情況，可知碳纖維復合材料在抑制翹曲、提升材料打印性上優于玻璃纖維復合材料。

表3 打印構件翹曲和開裂情況

打印過程中打印構件彎曲強度(層間黏結強度)如表4所示。由表4可知，3種高分子復合材料打印構件xy向彎曲強度均高于z向彎曲強度，這是因為z向為打印構件層間堆積方向，為打印構件力學性能薄弱方向；隨著單層打印時間的縮短，打印構件彎曲強度提高，且z向彎曲強度提高幅度較大；玻璃纖維增強ASA工程塑料和碳纖維增強ABS工程塑料打印構件各向彎曲強度相差較小；玻璃纖維增強尼龍6打印構件與玻璃纖維增強ASA工程塑料相比，xy，z向彎曲強度明顯較高，表明尼龍6復合材料具有更好的層間黏結性。

表4 打印構件彎曲強度

4 結語

1)單道打印線寬與高流量擠出裝置轉速成正比，與打印運動機構移動速度成反比。

2)對于同一打印設備，保持單道打印線寬不變時，打印運動機構移動速度與高流量擠出裝置轉速的比值為常數。

3)玻璃化溫度以上停留時間與材料擠出溫度、打印運動機構移動速度、打印產量、環境溫度、單位體積儲熱量成正比，與單層打印時間成反比。

4)打印構件自身儲熱能力越強，玻璃化溫度以上停留時間越長，與上、下層復合材料及外界的熱交換越充分，從而引發的變形量越小，越不易發生翹曲和開裂。

5)可通過設置不同的打印運動機構移動速度與高流量擠出裝置轉速，改變單層打印時間，以保證整個打印構件受熱更均勻，減小內應力，避免打印過程中出現翹曲和開裂現象。

6)玻璃纖維增強ASA工程塑料、碳纖維增強ABS工程塑料、玻璃纖維增強尼龍6打印構件xy向彎曲強度均高于z向彎曲強度，隨著單層打印時間的縮短，打印構件彎曲強度提高，且z向彎曲強度提高幅度較大。