超聲波振動與熱床對熔融沉積成型的影響

凌遠志，王海雄*，李亞君，何金輝，嚴天祥

（桂林理工大學機械與控制工程學院，廣西 桂林 541004）

0 前言

經過多年發展，熔融沉積成型技術已經成為1種成熟的3D打印技術，由于該技術具有可使用的原料種類較多、技術設備結構簡單、成本低等優點，被廣泛應用于許多領域輕型產品制造［1‐3］。雖然熔融沉積成型技術日趨成熟，但由于該項技術存在原理性缺陷，沉積時相鄰兩絲之間黏結致密度不高，導致成型出制品的強度達不到要求。為提高該技術成型制品的質量，國內外的研究人員通過研究成型工藝參數以改善制品的力學性能［4］。由于超聲波振動具有改善材料的力學性能的功能，有許多學者提出將超聲波振動技術應用于熔融沉積成型技術中，以提高成型制品的力學性能［5］。王武義等將超聲波振動應用于碳纖維與樹脂材料復合，證明了超聲波振動可使復合材料力學性能得到顯著提升。

PETG是1種透明型共聚酯復合材料，該材料對環境友好，且具有耐沖擊等優良的力學性能，目前正逐步占據高分子材料市場。本文采用熔融沉積成型技術制備PETG試件，由于超聲波振動與熱床均能改變聚合物熔體在沉積時的溫度和層間黏結狀況，故在原有成型設備的基礎上加入超聲波振動裝置和熱床，以研究超聲波振動和熱床溫度對成型試件力學性能的影響。研究時首先成型出標準PETG拉伸試件和壓縮試件，然后運用微機控制電子萬能試驗機分別進行拉伸和壓縮實驗，并運用場外發射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其斷面情況，分析相應數據，探究超聲波振動和熱床溫度對熔融沉積成型試件力學性能的影響規律，以達到改善PETG材料成型質量的目的，從而可以拓寬PETG材料的應用領域，為實際PETG制品的工業生產提供技術參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PETG，1.75 mm熱塑性線材，中科三維成型技術（深圳）有限公司。

1.2 主要設備及儀器

熔融沉積成型設備，巨影PMAX Y7510，深圳巨影投資發展有限公司；

SEM，JSM‐7900F，日本電子株式會社；

超聲波發生器，THD‐T1，深圳電科超聲波公司；

換能器，28K60W，深圳旭升精密機械有限公司；

力學性能測試儀，WDW‐100，濟南眾標儀器設備有限公司；

換能器裝于3D打印機底板，并與超聲波發生器相連，其照片如圖1所示；熱床的溫度控制誤差范圍為±0.5℃。

圖1 實驗設備Fig.1 Experimental equipment

1.3 樣品制備

拉伸試樣根據GB/T 16421—1996中塑料拉伸性能小試樣實驗方法中的標準建立三維模型，壓縮試樣則根據GB/T 1041—2008塑料壓縮性能測試方法中塑料壓縮試件的標準建立三維模型；按照萬能試驗機對試樣的要求，拉伸試樣選用I型試樣進行實驗，壓縮試樣選用正方體柱型；從前期準備實驗中分析影響因素并確定最優成型工藝參數；建立標準試樣三維模型（拉伸試樣如圖2所示，壓縮試樣如圖3所示），并將其轉化為STL格式文件；將熱床平臺調平，將PETG線材裝到設備中，連接超聲波發生器及換能器；調整好設備，加熱熱床和噴嘴到一定溫度后使噴嘴回到原點，開啟超聲波發生器，然后啟動實驗設備進行試件制備；更換工藝參數只需重復進行上述步驟即可［6］。

圖2 拉伸實驗試件Fig.2 Tensile test specimen

圖3 壓縮實驗試件Fig.3 Compression test specimen

由于實驗設備屬于開放式成型設備，環境的變化會對成型試件產生影響，在實驗時需盡量保持封閉的室內環境，減少因環境因素帶來的誤差；由于影響試件拉伸強度和壓縮強度的工藝因素并不相同，所以為了比較超聲波振動和熱床溫度對拉伸強度和壓縮強度的影響程度，分別制出拉伸試件和壓縮試件；在本實驗開始前進行了預備實驗，對層高、噴頭溫度、成型速度等參數進行了實驗并測試，最終將力學性能最優的一組參數作為本實驗的對照組；此外，為減少誤差的產生，在實驗時，利用同一臺實驗設備在同一位置成型，且每組數據實驗3次，最終排除粗大誤差取平均值，提高實驗數據的精確度。

1.4 性能測試與結構表征

力學性能測試：按照GB 1040.2—2006測試樣品拉伸性能，拉伸速率為100 mm/min；按照GB/T 1041—2008測試樣品壓縮性能，壓縮速率為10 mm/min，當壓縮變形量達15 mm時實驗停止；

形貌分析：將不同實驗條件的拉伸試件截面切成絲狀，噴金后用SEM進行觀察，分析超聲波振動對試件微觀結構的影響。

2 結果與討論

2.1 拉伸實驗結果分析

2.1.1 超聲波振動對材料拉伸性能的影響

通過前期預備實驗，得到最優成型參數為，層高0.1 mm、填充密度30 W、填充夾角45°、噴頭溫度215℃、熱床溫度70℃。為了研究不同超聲波功率對PETG熔融沉積成型試件拉伸性能的影響，這些工藝參數保持不變［7‐8］。

超聲振動在試件制備過程中可以使材料在冷卻過程中更為均勻分布在熱床上，但超聲波振動會對試件的附著產生較大影響，當超聲波功率超過30 W時，在成型過程中試件會發生翹曲。這是由于材料在沉積過程中受到超聲波振動因素的影響，附著在加熱平臺上時會出現附著不牢固現象，冷卻凝固的試件與加熱平臺間出現縫隙，由于受到持續超聲波振動，縫隙變得越來越大，加之上層材料在冷卻時會向內輕微收縮，這就導致試件在邊角處發生翹曲［9］（圖4）。試件體積越大，每層材料冷卻時受到振動的周期越長，翹曲現象越來越嚴重，從而導致無法成型出合格試件。

圖4 拉伸試件翹曲Fig.4 Warpage of tensile specimen

基于此現象，實驗在超聲波功率不超過30 W的條件下進行，通過對比不同工藝參數下的實驗數據，最終得出提高拉伸強度最有效的方案。從表1可以看出，隨著超聲波功率的增加試件拉伸強度總體呈上升趨勢，超聲波功率從零上升到6 W時，拉伸強度增加2.33%，相比于改變對照組中的其他參數，超聲波功率的提升效果較為明顯。增強效果最顯著的是超聲波功率從12 W增加到18 W，以及從24 W增加到30 W這2個區間，分別增加6.66%和6.34%。證明當超聲波功率達到18 W和30 W時，對拉伸強度影響最大，功率達到30 W時，拉伸強度達到最大值。

表1 試件的拉伸強度Tab.1 Tensile strength of the specimens

2.1.2 熱床溫度對拉伸性能的影響

熱床的作用是減緩從噴頭擠出的處于熔融狀態的材料冷卻速度，PETG在冷卻時會出現收縮現象，若冷卻過快就會導致底層材料收縮率較高，與底板粘貼不牢固，且在成型過程中每一層熔融狀材料在冷卻時都會產生收縮力，多層收縮力經過疊加后就會呈現邊緣翹曲現象。由于環境溫度較低，在實驗時熱床溫度低于60℃時試件就會出現翹曲現象，且隨著溫度的降低翹曲現象越來越嚴重，甚至出現整個試件脫離熱床平臺的現象［10］。但熱床溫度并非越高越有利于成型，當熱床溫度高于70℃時，由于PETG材料具有熔沸點較低的特性，熱床溫度過高時PETG冷卻速度過慢。當下層材料還未完全冷卻時，上層材料已經疊加到下層材料上，這就導致下層材料接觸到新熱量溫度升高，兩層材料疊加后冷卻速度變慢。下層材料由于未完全冷卻凝固，經過上層材料的擠壓后發生變形，從而對拉伸強度造成影響。

從表2中數據可以看出，當熱床溫度從60℃上升到65℃過程中，拉伸強度提高了2.96%，提升效果不顯著。但從65℃到70℃的這個區間，拉伸強度提升了13.68%。但當溫度再提高5℃時，拉伸強度并沒有沿上升趨勢繼續增加反而下降了3.16%。這說明當熱床溫度超過70℃時，材料冷卻速度便會開始減緩，導致整個試件拉伸強度下降。但從總體來看，熱床溫度較高的試件拉伸強度比熱床溫度較低的拉伸強度高，說明試件因冷卻收縮產生的收縮力對試件拉伸強度影響較大。

表2 試件的拉伸強度Tab.2 Tensile strength of the specimens

2.2 壓縮實驗結果分析

2.2.1 超聲波振動對材料壓縮性能的影響

為了探究超聲振動對PETG試樣壓縮強度的影響，選擇對照組工藝參數為：熱床溫度70℃、層高0.1 mm、填充密度60%、填充夾角45°。超聲振動可使壓縮試件結合面間的分子相互結合更緊密，層與層之間黏度更強，這減少了層與層之間的空隙，使其可壓縮性減小，在壓縮時需要施加更大的力才能使試件發生形變，超聲振動后的壓縮試件顯得更緊密。實驗結果如表3所示。可以看出，加入超聲波振動可使壓縮強度增加，當功率從零增加到6 W時，壓縮強度增加3.96%，提升效果比拉伸強度高。當再增加6 W功率時，壓縮強度會提升11.90%，提升效果顯著。當超聲波功率繼續提升時，壓縮強度又緩慢下降，說明當超聲波功率達到12 W時，壓縮強度提升效果最顯著。由此說明超聲波功率并非越高越好，當超聲波功率過高時，由于振動過大導致底層與熱床黏性不足，從而導致每1層材料在冷卻收縮時所產生的收縮力得不到抵消，影響了各層凝固形狀，出現翹曲現象（如圖5所示）。但從實驗數據可以看出，有超聲振動相比于無超聲振動，壓縮強度要高，說明超聲振動同樣可以提高壓縮強度。與拉伸強度不同，PETG的壓縮特性不會隨著超聲波功率的提高而一直提高。

表3 試件的壓縮強度Tab.3 Compression strength of the specimens

圖5 壓縮試件翹曲Fig.5 Warpage of the compression specimen

2.2.2 熱床溫度對壓縮性能的影響

從表4可以看出，熱床溫度在60～70℃之間時，壓縮強度隨熱床溫度的增大而增大，在70℃達到峰值，當熱床溫度大于70℃時，試件壓縮強度開始下降。這說明當熱床溫度高于70℃時，材料冷卻速度過慢，每層材料間互相擠壓變形，壓縮強度下降。熱床溫度從65℃上升到70℃時，壓縮強度提升最大為3.88%，這時的熱床溫度使材料的冷卻速度達到最佳狀態，在材料冷卻時層與層的黏結效果最好。

表4 試件的壓縮強度Tab.4 Compression strength of the specimens

相比于拉伸強度，熱床溫度對壓縮強度提升效果不顯著。這主要受試樣形狀的影響，拉伸試樣模型長度較長、表面積較大，在成型時層與層之間成型時間間隔較長，這有利于每一層材料得到充分冷卻層與層之間黏結效果較好，在拉伸實驗時，試樣受到拉力后會出現變形收縮現象，在輕微收縮后截面強度得到增強，故提升效果較明顯。此外，壓縮試樣為正方體，材料在同等溫度下沉積時受到重力影響層與層間的黏結較好，熱床溫度的改變并不能使壓縮強度產生更顯著的變化。

2.3 形貌分析

斷面SEM照片如圖6所示。對比圖6（a）和（b）可以發現，受到超聲波振動的熔融材料在沉積成型時，振動使每一層材料都更加均勻地附著在下層材料上，這不僅使每一層材料都更加致密，且使層與層間的黏結更緊密，拉伸強度由此增加。對比圖6（c）和（d）及圖6（e）和（f）可以看出，加入超聲波振動后，材料的斷面更光滑，且受到拉伸后出現裂紋數目較少。在無超聲振動的情況下，材料受拉伸呈現出撕裂狀斷面，且斷面更粗糙并伴隨少量殘余凸起。這是由于層與層間的黏結不牢導致，無超聲波振動，層間距縫隙更大，在拉伸時容易出現分層現象。超聲波振動可使分子鏈間相互纏結更緊密，在出現滑移時，致密的分子結構不易被破壞，拉伸強度更高。

圖6 拉伸試件斷面的SEM照片Fig.6 SEM images of the tensile specimen section

從以上分析可以得出，超聲波和熱床都可以使聚合物熔體溫度升高，黏度降低，便于層與層材料的黏結融合，但有所不同的是，超聲波振動可改變聚合物層與層間的滲透深度和分子鏈纏結程度，從而相比于熱床溫度更能提高試件的拉伸強度。

3 結論

（1）在僅改變超聲波功率的情況下，拉伸強度最大能達到14.63 MPa，相比于無超聲波振動拉伸強度提高22.53%；壓縮強度最高達到了25.808 MPa，相比無超聲波振動壓縮強度提高16.33%；超聲波振動對提高材料拉伸強度效果更顯著；

（2）在僅改變熱床溫度的情況下，拉伸強度最大達到14.63 MPa，相比于60℃拉伸強度提高17.04%，壓縮強度最大達到22.185 MPa，相比于60℃壓縮強度提高6.72%；熱床溫度對提高材料拉伸強度比壓縮強度更顯著；

（3）這2種影響因素更傾向于提高PETG材料的拉伸強度，而超聲波振動相對于熱床溫度提高材料力學性能影響效果更顯著。