PA12試件多射流熔融成型工藝研究

王金業(yè) ，唐博虎，楊立寧，謝 猛，郭澤朝，楊 光*

（1.河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018；2.河北省增材制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，石家莊 050000；3.煙臺杰瑞石油服務(wù)集團(tuán)股份有限公司，山東 煙臺 264003）

0 前言

增材制造（additive manufacturing，AM）一般稱為3D打印，該技術(shù)為多學(xué)科、多項(xiàng)技術(shù)融合的一項(xiàng)新科技［1-2］，完成了數(shù)模設(shè)計(jì)到實(shí)體制作的一體化過程［3-4］，但傳統(tǒng)增材制造技術(shù)不能同時滿足高精度和高強(qiáng)度的需求。而多射流熔融技術(shù)（multi jet fusion，MJF）作為一種新興的增材制造技術(shù)，其打印出的物體力學(xué)性能和表面質(zhì)量均能與注射成型件相媲美。在該技術(shù)打印過程中，打印設(shè)備會將其特有的工藝通過2個單獨(dú)噴墨陣列，向聚合物粉末中選擇性的沉積功能溶劑和上色溶劑，精確地對成型件的每一層進(jìn)行上色和沉積，其中助溶劑可以選擇粘接部分，而精細(xì)劑通過阻礙零件邊界能量的吸收，以達(dá)到提高其成型精度的目的［5］。然后通過紅外燈掃描使得粉末熔融形成一層［6］，以獲得理想的表面紋理和力學(xué)性能，已成型部分隨構(gòu)建板下移，逐層重復(fù)此過程，生成立體模型［7］。聚酰胺12（PA12），熱塑性材料，相對密度較小，屬于晶態(tài)聚合物［8］，丁二烯為其聚合基本原料。其結(jié)晶溫度遠(yuǎn)低于其熔融溫度，允許結(jié)晶現(xiàn)象在打印過程中延遲，以此達(dá)到減少殘余應(yīng)力和形變的發(fā)生［9］；并且其成本相對PA6等材料較低，而拉伸強(qiáng)度和彈性模量較高［10］，所以PA12成為一種迄今為止最廣泛用于增材制造技術(shù)的新型理想材料。目前采用PA12材料的打印技術(shù)包含選擇性激光燒結(jié)技術(shù)與熔融沉積成型技術(shù)，而這兩種技術(shù)打印出的試件難以滿足結(jié)構(gòu)零件對拉伸性能與表面光潔度的需求。因此本項(xiàng)研究以PA12材料為主線，采用多射流熔融技術(shù)制備高性能高強(qiáng)度拉伸試件，評估各個打印方向?qū)A12樣品的尺寸精度和力學(xué)性能的影響。為多射流熔融技術(shù)在醫(yī)療、汽車零部件等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供理論研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PA12粉末，工業(yè)級，粉末平均直徑為60 μm，密度為0.425 g/cm3，熔點(diǎn)為187℃，V1R30A，惠普有限公司（中國）；

精細(xì)劑，工業(yè)級，V1Q80A，惠普有限公司（中國）；

黑色溶劑，工業(yè)級，V1Q70A，惠普有限公司（中國）；

助溶劑，工業(yè)級，V1Q71A，惠普有限公司（中國）；

光亮溶劑，工業(yè)級，V1Q81A，惠普有限公司（中國）；

黃色溶劑，工業(yè)級，V1Q73A，惠普有限公司（中國）；

品紅溶劑，工業(yè)級，V1Q74A，惠普有限公司（中國）；

藍(lán)色溶劑，工業(yè)級，V1Q75A，惠普有限公司（中國）。

1.2 主要設(shè)備及儀器

3D成型機(jī)，HP Jet Fusion 580 3D彩色型，如圖1所示，惠普有限公司（中國）；

圖1 HP Jet Fusion 580全彩3D打印機(jī)Fig.1 HP Jet Fusion 580 Color 3D Printer

噴砂機(jī)，JCK-9060A環(huán)保手動型，吉川機(jī)械（國際）有限公司；

電子萬能試驗(yàn)機(jī)，UTM6503，深圳三思縱橫科技股份有限公司；

電子分析天平，F(xiàn)A2004，天津天馬衡基儀器有限公司。

1.3 樣品制備

PA12試樣制備：先在CAD軟件平臺上設(shè)計(jì)出試驗(yàn)樣品，試件形狀及設(shè)計(jì)尺寸如圖2所示，然后將文件以“.stl”的格式進(jìn)行保存。使用工作站中的HP Smart-Stream 3D Build Manager平臺打開剛剛保存的“.stl”文件，對其上色并進(jìn)行排版，試件的打印位置位于構(gòu)建空間的底部，不同組別試件的成型角度分別為0°、15°、30 °、45 °、60 °、75 °、90 °，相對位置如圖3所示，7組部件之間均相隔10～20 mm，以降低熱量集中。對于每個數(shù)據(jù)，平均值來自至少15個測試。所有試驗(yàn)樣品均基于打印模式中的“彩色平衡模式”制造。這是目前為止最為廣泛應(yīng)用的模式，因?yàn)樗饶軌蚋鶕?jù)顏色區(qū)分不同組別試件，還可以達(dá)到在各個力學(xué)性能之間取得良好平衡的目的，可用構(gòu)建體積為331 mm×247 mm×189 mm。利用工作站將排版好的文件發(fā)送至成型打印機(jī)，填充PA12粉末材料與溶劑等所需材料，設(shè)備進(jìn)行自行檢測后便可開始打印過程。打印成型后，打印機(jī)以空氣為介質(zhì)將打印機(jī)內(nèi)多余熱量轉(zhuǎn)移到大氣環(huán)境中去，使得樣品在粉末床中冷卻3 h，然后打印機(jī)通過高頻震動將零件從PA12粉中分離。最后材料回收系統(tǒng)將松散的粉末回收利用，打印出的樣品進(jìn)行噴砂清洗處理，以去除附著的松散聚合物材料，如圖4所示。

圖2 PA12試件形狀及設(shè)計(jì)尺寸Fig.2 The shape and design dimension of PA12 specimen

圖3 不同組測試部件在構(gòu)建板上的定位示意圖Fig.3 Location diagram of different groups of test components on the construction boards

圖4 利用MJF技術(shù)制備的PA12試件Fig.4 PA12 specimens manufactured by MJF

根據(jù)優(yōu)化的多射流熔融成型技術(shù)工藝窗口參數(shù)，得出打印的新粉舊粉含量配比為1∶4，噴墨速度3000萬滴/s，環(huán)境溫度設(shè)置為20～30℃，PA12粉末熔點(diǎn)為187℃，環(huán)境濕度為50%～70%RH，粉末層厚為80 μm。105個零件的總打印時間為6.87 h，構(gòu)建速度為10 s/層，堆積密度為2.21%，構(gòu)建高度為36mm，總體積約為1 739.28 cm3，打印總層數(shù)為473層。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

尺寸精度分析：試樣尺寸精度是將測量數(shù)據(jù)與數(shù)模尺寸對比分析，并且計(jì)算所有測量結(jié)果的算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。測量工具使用數(shù)顯式游標(biāo)卡尺，分別測量各實(shí)驗(yàn)組內(nèi)7組樣件在x軸、y軸和z軸方向的尺寸，測量數(shù)據(jù)包括試樣的長度l，寬度Sw，厚度t，如圖5所示。每個方向上取左、中、右3個不同位置測量，并求其平均值作為尺寸數(shù)據(jù)；試樣3個位置的最終尺寸分別取每組內(nèi)15個樣件在各方向上尺寸數(shù)據(jù)的平均值，利用各實(shí)驗(yàn)組樣件的尺寸正負(fù)偏差來代表成型件尺寸精度。

圖5 尺寸精度測量位置Fig.5 Dimension precision measurement location

拉伸性能測定：試樣拉伸試驗(yàn)采用軸向拉伸方式，表面先后經(jīng)220目和800目的砂紙打磨后，通過UTM6503型電子萬能試驗(yàn)機(jī)施加荷載，最大拉力5 kN，采用位移控制持續(xù)對試件進(jìn)行拉伸。為使PA12試件充分受力變形，對加載速率進(jìn)行控制采取5 mm/min的恒定速率進(jìn)行拉伸，直至試驗(yàn)樣件斷裂。試驗(yàn)過程中對位移和荷載進(jìn)行實(shí)時采集記錄。

致密度測定：根據(jù)阿基米德定律可知，浸在參比液中的部件所受浮力即為排開參比液的質(zhì)量，利用分析天平測量出部件質(zhì)量和部件在已知密度的參比液中的質(zhì)量。由于部件和排開參比液的質(zhì)量密度比值相等，則可計(jì)算出部件的實(shí)際密度，并且此過程需要借助懸垂繩等輔助器具完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 打印方位對試樣尺寸精度的影響

出于滿足各種行業(yè)領(lǐng)域的使用需求，必須保證打印部件具有良好的尺寸精度。計(jì)算所有實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果的算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，表1中報告了PA12試件的每個尺寸的最大正尺寸偏差、最小負(fù)尺寸偏差、平均值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差，這些值體現(xiàn)了打印試件位于何種成型角度時成型精度更高。從表1和圖6可以明顯看出，所有打印試件的Sw位置尺寸偏差都為正偏差，而其它位置尺寸正負(fù)偏差均存在，是因?yàn)镾w尺寸方向與鋪粉裝置、噴墨裝置的運(yùn)動方向一致。

表1 與標(biāo)準(zhǔn)尺寸的最小偏差、最大偏差和平均偏差Tab.1 Minimum deviation from standard size，maximum deviation and average deviation

打印方向?qū)A12試樣的各個位置尺寸影響趨勢如圖6所示。其中寬度Sw的尺寸偏差在0.17～0.04 mm之間波動，無明顯變化規(guī)律。厚度t的尺寸偏差在-0.1～0.15 mm之間，隨著成型角度的增大，絕對偏差值呈現(xiàn)出一種先減小后增大的趨勢，在成型角度為45°時，尺寸精度達(dá)到最高。長度l的尺寸偏差在-0.07～0.4 mm之間，在0°～75°時，尺寸偏差為正值；成型角度為90°時，尺寸偏差為負(fù)值［11］。與基于激光的選區(qū)粉末床熔融技術(shù)不同，多射流熔融技術(shù)可以在成型倉直接構(gòu)建整層平面，雖然這會提高打印效率，但同時也會帶來熱梯度的影響，若成型層上熱量分布不同，會導(dǎo)致其收縮率不一致，從而使得構(gòu)件的表面外輪廓與設(shè)計(jì)尺寸發(fā)生偏差。特別是對于大面積成型區(qū)域，當(dāng)精細(xì)劑噴涂在構(gòu)建表面時，精細(xì)劑會在高溫度下的蒸發(fā)會帶走大部分熱量，以至于成型區(qū)域不同位置熱傳遞水平差異更加明顯，接觸聚合物粉末的零件邊界導(dǎo)熱性更好，溫度損失更快，使得成型尺寸產(chǎn)生偏差［12］。此外，成型過程中的毛細(xì)現(xiàn)象也會導(dǎo)致零件的模型尺寸產(chǎn)生偏差，在構(gòu)建的成型平面區(qū)域，助溶劑與聚合物粉末的混合物在紅外燈模塊的加熱下，會變成類似于一種流體狀態(tài)，成型區(qū)域邊界傾向于上升，中心傾向于沉降［13］。因此，當(dāng)成型角度為0°時，厚度t的負(fù)誤差值最小；當(dāng)成型角度為90°時，長度l方向的負(fù)誤差值最小。為了降低毛細(xì)現(xiàn)象對構(gòu)件尺寸精度的影響，應(yīng)該將構(gòu)件按頂部表面積最小化方式進(jìn)行擺放。而造成PA12試件正偏差的主要因素是次級燒結(jié)效應(yīng)和階梯效應(yīng)，當(dāng)紅外輻射的吸收率被助溶劑轉(zhuǎn)化為熱量之后，試件已成型部分周圍的松散粉末因受熱附著在試件表面，從而導(dǎo)致正偏差較大的現(xiàn)象［14］，此為次級燒結(jié)效應(yīng)；而根據(jù)粉末床熔融技術(shù)的逐層打印特性，層厚越大，表面形貌粗糙度越大，即階梯效應(yīng)。因此寬度尺寸Sw按照任何角度成型時，均呈現(xiàn)正偏差；厚度尺寸t在成型角度為90°時，呈現(xiàn)正偏差；同樣，長度尺寸l在成型角度為0°時，也呈現(xiàn)正偏差。根據(jù)圖6綜合分析可得，PA12試件成型角度為45°時，各位置尺寸精度較好。

圖6 各個部件在構(gòu)建取向不同時的尺寸精度分布Fig.6 Dimensional accuracy distribution of different components in different components

2.2 打印方位對拉伸結(jié)果的影響

不同構(gòu)建取向打印的PA12試樣拉伸強(qiáng)度與斷裂延伸率如圖7所示。通過分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得出，當(dāng)擺放角度θ=0°時，拉伸強(qiáng)度最大，根據(jù)打印切片成型路徑分析，當(dāng)PA12試件構(gòu)建取向平行于x-y平面時，拉伸載荷與成型纖維方向相同，則試件全部由成型纖維承受拉伸負(fù)載作用，所以此時拉伸強(qiáng)度最大；從0°增加到45°時，拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)依次減弱的規(guī)律。這是由于將構(gòu)件傾斜擺放時會產(chǎn)生階梯效應(yīng)，每個打印層的誤差持續(xù)累加，這對試件的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。所以隨著傾斜角度從0°增加到45°，試件的拉伸強(qiáng)度呈下降趨勢。當(dāng)構(gòu)件與成型底面之間存在夾角時，會存在懸垂結(jié)構(gòu)，并且在懸垂表面會存在掛渣現(xiàn)象，隨著角度從45°增加到75°，懸垂結(jié)構(gòu)隨試件傾斜程度的降低不斷減小，掛渣現(xiàn)象逐漸消失，整體致密度上升，成型質(zhì)量得到改善，所以拉伸強(qiáng)度明顯增大。當(dāng)角度θ=90°時，PA12試件構(gòu)建取向垂直于成型纖維方向，承受拉伸載荷的作用僅依靠于各個成型面之間的黏著力，則此時試件的抗拉伸性能相較于成型角度為0°時較差。PA12試樣的斷裂延伸率整體規(guī)律與拉伸強(qiáng)度趨于一致，這是因?yàn)槔鞆?qiáng)度較高的零件，致密度相對較高，內(nèi)部孔洞較少，層與層之間的黏結(jié)更加緊實(shí)，因此在拉伸過程中，斷裂縫隙形成較為困難，延伸率較大。

圖7 MJF技術(shù)中PA12在各個取向的拉伸強(qiáng)度與斷裂延伸率Fig.7 The tensile strength and elongation at break of PA12 in the MJF technique

經(jīng)分析可得，由于MJF打印過程中的切片成型路徑不同，內(nèi)部構(gòu)成方式也因此各不相同［15］。MJF技術(shù)打印的每一層都是在平行于xy平面方向上進(jìn)行構(gòu)建成型。如圖8所示，從打印成型過程中沿拉伸方向的成型纖維來看，打印擺放角度為0°時纖維方向與拉伸方向保持一致。并且從0°到90°過程中，纖維方向與拉伸方向夾角逐漸變大，直到90°時，成型纖維方向與拉伸方向呈垂直角度。而成型纖維方向與拉伸方向的夾角能夠影響拉伸強(qiáng)度和延伸率的大小，這就導(dǎo)致打印方向?yàn)?°時，拉伸強(qiáng)度和延伸率較大，而當(dāng)打印方向?yàn)?0°時，拉伸方向垂直于成型纖維方向，抗負(fù)載能力全部依靠于每層成型面之間的黏著力實(shí)現(xiàn)［16］，因此此時拉伸強(qiáng)度和延伸率較小。

圖8 PA12試樣打印擺放角度分別為0°、45°、90°時的打印切片路徑Fig.8 Print slice path at printing angle of 0 °，45 °and 90 °of PA12 specimen

2.3 打印方位對致密度的影響

一般情況下，致密度良好的試件，其拉伸強(qiáng)度也會好。運(yùn)用阿基米德排水法，對制備的試件進(jìn)行實(shí)際密度ρ測的測定。

由表2可知，平均致密度最佳為99.311%，此時成型角度為0°，與力學(xué)性能最佳的成型角度相一致，故致密度測量結(jié)果可靠。

表2 致密度統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Density statistical table

3 結(jié)論

（1）通過對MJF成型分析得出寬度方向尺寸Sw偏差值在-3.3%～5.0%之間上下波動，隨成型角度改變并未呈現(xiàn)顯著規(guī)律。厚度t的相對誤差在-3.3%～5.0%之間，并且隨著成型角度的增大，其絕對誤差值呈現(xiàn)出一種先減小后增大的趨勢，當(dāng)成型角度為45°時，絕對誤差值達(dá)到最??；長度l尺寸的相對誤差在-0.2%～1.1%之間，隨著成型角度從0°增加到75°，尺寸偏差呈正值；90°時尺寸偏差呈負(fù)值，并且在75°和90°時，尺寸精度較高；綜合分析可得，當(dāng)試件的成型角度為45°時，PA12試件的平均尺寸精度最高；

（2）通過研究打印試件成型角度對拉伸強(qiáng)度和延伸率的影響規(guī)律可知，這兩種影響規(guī)律趨于一致；當(dāng)成型角度從0°增加到45°時，試件拉伸強(qiáng)度與延伸率逐漸降低，在成型角度大于45°后，拉伸強(qiáng)度與延伸率顯著提升；綜合分析可得，試件最佳力學(xué)性能成型方向?yàn)槠叫杏趚-y平面方向，此時PA12試件的平均拉伸強(qiáng)度為50.95 N/mm2，平均延伸率為37.02%；

（3）通過阿基米德原理，利用排水法對試件測出的致密度變化規(guī)律與拉伸強(qiáng)度相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可靠性，并且得出最佳成型角度為0°，此時平均致密度可達(dá)到99.311%。