3D打印工藝參數對PLA/PTW 共混物力學性能影響的研究

馬秀清，勞志超，李明謙，韓順濤，胡 楠

（1.北京化工大學機電工程學院，北京 100029；2.中國核電工程有限公司，北京 100840；3.航天特種材料及工藝技術研究所，北京 100074）

0 前言

3D 打印技術是一種將材料逐層堆積創建三維實體的增材制造技術［1-2］，具有設計靈活性高、成本低和制造周期短等特點［3］，廣泛應用于航空航天［4］、生物醫療［5］、汽車［6］和建筑［7］等工業制造領域［8］。其中3D打印中的熔融沉積成型（FDM）工藝因具有效率高、操作簡便和成型材料豐富等優點被廣泛應用［9-11］。

聚乳酸（PLA）是一種通過可再生植物資源制備出來的脂肪族熱塑性聚酯材料［12］，具有良好的生物相容性［13］、生物可降解性［14］和加工性能［15］等，是FDM 工藝中最熱門的加工材料之一［16］，但是PLA 存在脆性大［17］、抗沖擊性能差［18］以及打印中易斷裂等缺陷，限制了其在FDM 工藝中更廣泛地應用［19］，通常需對PLA進行改性來提高其力學性能［20-21］。乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸縮水甘油酯共聚物（PTW）是一種帶有環氧基團和羰基的低結晶度共聚物，可與羧基、羥基和氨基等基團反應［22］，具有優異的反應性和韌性，常作為聚合物的增容劑和沖擊性能改性劑［23］。Zhao等［24］研究了PTW 對PLA 力學性能的影響，結果表明，當PTW 添加量為20%（質量分數）時，相比于純PLA，共混物的沖擊強度提升了近10 倍，達到54.1 kJ/m2。另外，在3D 打印中的FDM 工藝下，根據不同打印材料的熱力學屬性，選取合適的打印溫度、打印平臺溫度、打印速度、層厚、填充角度等工藝參數也常會對材料的力學性能產生較大的影響［25-26］，這些參數設置不符會導致試樣翹曲變形、層間黏合性差、噴頭堵塞等問題［27］。為提高FDM 打印材料的力學性能，近年來，許多學者對3D 打印工藝參數開展了廣泛研究。徐良文等［28］研究了填充方向和打印層高等3D 打印工藝參數對PLA 拉伸性能的影響，結果表明，當填充方向為65°/115°時，PLA 的拉伸強度比填充方向為15°/165°時高19.3 MPa，同時，當打印層高為0.15 mm時，PLA的拉伸強度最大，達到46.60 MPa。鄭玲等［29］在研究3D 打印工藝參數對PLA 力學性能的影響時，采用正交實驗的方法優化了壁厚（邊緣寬度）、封閉面厚度、填充率、打印頭溫度、打印速度等參數，結果表明，當壁厚為0.8 mm、封閉面厚度為0.6 mm、填充率為60%、噴頭溫度為200 ℃、打印速度為60 mm/s 時，打印出的PLA 的綜合力學性能最佳。夏新曙等［30］同樣采用正交實驗的方法研究了3D打印工藝參數對PLA/TPU 共混物沖擊性能的影響，結果表明，當底板溫度為90 ℃、噴嘴溫度為190 ℃、沉積方式為45°/45°、打印層厚為0.4 mm、打印速度為45 mm/s時，共混物的沖擊強度最佳。

綜上所述，優化3D 打印工藝參數對提高共混物的力學性能具有重要意義，本文基于3D 打印中的FDM工藝制備了PLA/PTW 共混物，通過單因素實驗研究噴頭溫度、打印平臺溫度和打印速度對PLA/PTW 共混物力學性能的影響，并基于此選出合適的水平參數范圍進行正交實驗，研究上述3個工藝參數對共混物力學性能的影響程度，優化3D 打印工藝參數，以期進一步提升PLA/PTW 共混物的力學性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PLA，4032D，美國Nature Works公司；

PTW，Elvaloy，美國DuPont公司。

1.2 主要設備及儀器

干燥箱，101-1BS，浙江力辰科儀公司；

高速混合機，GH-10，北京塑料機械廠；

嚙合同向雙螺桿擠出機，LSM30/34，德國Leistritz公司；

錐形雙螺桿擠出機，SHINO，張家港市聯江機械有限公司；

電子天平，BP-323A+，上海奔普儀器科技有限公司；

熔融沉積3D 打印機，繪威，珠海連盛電子科技有限公司；

萬能材料試驗機，INSTRON-3365，美國INSTRON公司；

塑料沖擊試驗機，PTM1100-B，深圳三思縱橫公司。

1.3 樣品制備

熔融造粒：首先將PLA 在80 ℃干燥箱中干燥8 h，PTW 在40 ℃干燥箱中干燥2 h；再將PLA/PTW 按照質量份（100/10）加入高速混合機中常溫下攪拌10 min，混合均勻后經喂料裝置加入到雙螺桿擠出機熔融、擠出、經水冷卻后并造粒，其中，雙螺桿轉速為40 r/min，喂料螺桿轉速為50 r/min，螺桿構型和各段溫度分別如圖1 和表1所示；其中，SE45/120：導程為45 mm，長度為120 mm的螺紋元件；KB60/60°：長度為60 mm，錯列角為60°捏合塊元件；SME20/60：導程為20 mm，長度為60 mm的開槽螺紋元件；其余以此類推。

表1 機筒各段及機頭溫度設定值Tab.1 Each barrel section and head temperature setting values

圖1 螺桿構型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the screw configurations

絲材制備：將PLA/PTW 共混物顆粒在70 ℃下干燥12 h后加入到錐形雙螺桿擠出機制備PLA/PTW 復合絲材，如圖2所示，機筒各段和機頭溫度依次為：170、180、170、160、160 ℃，錐形雙螺桿轉速為25 r/min，喂料螺桿轉速為45 r/min，風冷牽引機轉速為42 r/min；

圖2 PLA/PTW 改性絲材Fig.2 PLA/PTW modified silk material

試樣打印：首先送絲裝置將絲材輸送到噴頭處，經噴頭將絲材加熱至熔融狀態，然后噴頭按照計算機軟件設定軌跡移動，將熔絲擠出在打印平臺上沉積成型，制備試樣，如圖3～4所示，其中沖擊試樣填充率為100%，拉伸試樣填充率為10%。

圖3 FDM式3D打印示意圖Fig.3 Schematic diagram of FDM 3D printing

圖4 3D打印中的試樣Fig.4 Sample of 3D printing

1.4 性能測試與結構表征

沖擊強度：根據GB/T1843—2008 標準測試，采用U 型，長度為80 mm，寬度為10 mm，厚度為4 mm 的無缺口試樣，擺錘勢能為4 J；

拉伸強度：根據GB/T 1040.1—2018標準測試，試樣長度為150 mm，寬度為10 mm，厚度為4 mm，拉伸速率為50 mm/min；

綜合力學性能：為了更準確地優選適用于PLA/PTW 共混物的3D 打印工藝參數，定義綜合力學性能指數N1評價各工藝參數組合下共混物的綜合力學性能，計算公式如式（1）所示：

式中I——沖擊強度，kJ/m2

T——拉伸強度，MPa

A——沖擊強度權重系數，取值為1

B——拉伸強度權重系數，取值為1

單因素實驗設計：對噴頭溫度、打印平臺溫度和打印速度進行單因素實驗，采用拉伸強度和沖擊強度作為評價指標，并計算特征量的平均值和極差，設計方法如下：（1）噴頭溫度：保持打印平臺溫度和打印速度分別為60 ℃和60 mm/s，以噴頭溫度為變量，分別設定為190、200、210、220、230 ℃；（2）打印平臺溫度：保持噴頭溫度和打印速度分別為210 ℃和60 mm/s，以打印平臺溫度為變量，分別設定為40、50、60、70、80 ℃；（3）打印速度：保持噴頭溫度和打印平臺溫度分別為210 ℃和60 ℃，以打印速度為變量，分別設定為40、50、60、70、80 mm/s；

正交實驗設計：為探究多個工藝參數之間的組合對PLA/PTW 共混物力學性能的影響，基于單因素實驗結果，確定噴頭溫度、打印平臺溫度和打印速度合適的水平參數范圍，并設計正交實驗。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗結果分析

2.1.1 噴頭溫度對PLA/PTW共混物力學性能的影響

圖5 為PLA/PTW 共混物在不同噴頭溫度下的沖擊強度和拉伸強度，可以看出，共混物的沖擊強度和拉伸強度均隨噴頭溫度的增加呈現先上升后下降的變化趨勢，當噴頭溫度為210 ℃時，共混物的沖擊強度和拉伸強度均達到最大，比噴頭溫度為190 ℃時高1.93 kJ/m2和0.87 MPa，這是因為噴頭溫度的升高，PLA/PTW共混物的流動性和黏性得到改善、層與層間的黏合性變好，能夠有效提高共混物的力學性能；但是，當噴頭溫度繼續增加230 ℃時，共混物的沖擊強度和拉伸強度反而又相比于210 ℃時降低了0.63 kJ/m2和0.54 MPa，這是因為噴頭溫度的持續升高導致共混物的黏度降低、流動性增加，在打印過程中熔絲受重力的影響會產生漏流，造成共混物的力學性能降低。

圖5 噴頭溫度對PLA/PTW 力學性能的影響Fig.5 Effect of nozzle temperature on mechanical properties of the PLA/PTW

2.1.2 打印平臺溫度對PLA/PTW 共混物力學性能的影響

圖6 為PLA/PTW 共混物在不同打印平臺溫度下的沖擊強度和拉伸強度，可以看出，共混物的沖擊強度和拉伸強度均隨打印平臺溫度的增加而增加，當打印平臺溫度為80 ℃時，共混物的沖擊強度和拉伸強度比打印平臺溫度為40 ℃時高1.98 kJ/m2和0.88 MPa，這是因為打印平臺溫度的升高不僅可以有效降低試樣的冷卻速率，促進共混物結晶，使高分子鏈有充分時間進行應力松弛、消除內應力，在一定程度上防止試樣翹曲變形、提高強度，同時還能提高層間黏接強度，進一步提升共混物的力學性能。

圖6 打印平臺溫度對PLA/PTW 力學性能的影響Fig.6 Effect of printing platform temperature on mechanical properties of the PLA/PTW

2.1.3 打印速度對PLA/PTW 共混物力學性能的影響

圖7 為PLA/PTW 共混物在不同打印速度下的沖擊強度和拉伸強度，可以看出，共混物的沖擊強度隨打印速度的增加而降低，當打印速度為40 mm/s 時，共混物的沖擊強度比打印速度為80 mm/s時高4.26 kJ/m2，這是因為打印速度過快使熔絲在噴頭中的停留時間變短、溫度較低，同時擠出熔絲的直徑會因拉伸作用變細、填充密度降低、層間的黏合性變差，且未能黏合牢固的熔絲還容易被拉伸錯位，導致共混物的沖擊強度降低；PLA/PTW 共混物拉伸強度隨打印速度的增加呈現先上升后下降的變化趨勢，當打印速度為40 mm/s時，共混物的拉伸強度比打印速度為50 mm/s 時低0.39 MPa，這是因為打印速度過低會導致層間熔絲堆積時間變長、溫差變大、層間黏合性變差，造成共混物的拉伸強度降低；但是，當打印速度繼續增加80 mm/s時，共混物的拉伸強度反而相比于50 mm/s 時降低了1.1 MPa，這同樣是因為打印速度過快導致熔絲在噴頭中的停留時間變短、溫度較低，造成共混物的拉伸強度降低。

2.2 正交實驗結果及分析

基于單因素實驗結果，確定各因素合適的水平參數范圍：噴頭溫度為200～220 ℃、打印平臺溫度為60～80 ℃、打印速度為40～60 mm/s，使用三因素三水平正交實驗方法，選擇L9（34）正交實驗表設計正交實驗，如表2所示。表3 為噴頭溫度、打印平臺溫度以及打印速度的正交實驗結果。

表2 三因素三水平正交實驗方案Tab.2 Three-factor three-level orthogonal experimental protocol

表3 正交實驗結果Tab.3 Results of orthogonal experiment

2.2.1 沖擊強度分析

表4 為PLA/PTW 共混物沖擊強度的均值與極差分析結果，可以看出，各因素對共混物沖擊強度的影響程度從大到小依次為打印速度（C）、噴頭溫度（A）和打印平臺溫度（B），其中打印速度的極差（R）值分別比噴頭溫度和打印平臺溫度的R 值高22%和128%，表明打印速度是影響共混物沖擊強度的重要因素；通過對比同一因素下不同水平K（同一水平指標下總和的均值）值的大小，可以看出，當3D 打印工藝參數組合為A2B3C1時，PLA/PTW 共混物的沖擊強度最大，達到30.23 kJ/m2，即噴頭溫度為210 ℃、打印平臺溫度為80 ℃、打印速度為40 mm/s。

表4 沖擊強度的均值與極差Tab.4 Average and range of the impact strength

2.2.2 拉伸強度分析

表5 為PLA/PTW 共混物拉伸強度的均值與極差分析結果，可以看出，各因素對共混物拉伸強度的影響程度從大到小依次為噴頭溫度（A）、打印速度（C）和打印平臺溫度（B），其中噴頭溫度的R 值分別比打印平臺溫度和打印速度的R 值高110%和11%，表明噴頭溫度是影響共混物拉伸強度的重要因素；通過對比同一因素不同水平的K 值大小，可以看出，當3D 打印工藝參數組合為A2B3C2時，PLA/PTW 共混物的拉伸強度最大，即噴頭溫度為210 ℃、打印平臺溫度為80 ℃、打印速度為50 mm/s。

表5 拉伸強度的均值與極差Tab.5 Average and range of the tensile strength

2.2.3 綜合力學性能分析

表6 為PLA/PTW 共混物綜合力學性能指數的均值與極差分析結果，可以看出，各因素對PLA/PTW 共混物綜合力學性能的影響程度從大到小依次為噴頭溫度（A）、打印速度（C）和打印平臺溫度（B），其中噴頭溫度的R 值分別比打印平臺溫度和打印速度的R 值高48%和4.4%，表明噴頭溫度是影響共混物綜合力學性能的重要因素；通過對比同一因素不同水平的K 值大小，當3D打印工藝參數組合為A2B3C1時，PLA/PTW共混物的綜合力學性能最大，達到49.02，即噴頭溫度為210 ℃、打印平臺溫度為80 ℃、打印速度為40 mm/s。

表6 綜合力學性能指數的均值與極差Tab.6 Average and range of comprehensive mechanical property index

3 結論

（1）PLA/PTW 共混物的沖擊強度和拉伸強度均隨噴頭溫度的增加呈現先上升后下降的趨勢，當噴頭溫度為210 ℃時，共混物的沖擊強度和拉伸強度達到最佳；均隨打印平臺溫度的增加而增加的趨勢，當打印平臺溫度80 ℃時，共混物的沖擊強度和拉伸強度達到最佳；均隨打印速度的增加表現出下降的趨勢，共混物的沖擊強度和拉伸強度分別在打印速度為40 mm/s 時和50 mm/s時達到最佳；

（2）噴頭溫度對PLA/PTW 共混物的綜合力學性能影響程度從大到小依次為：噴頭溫度、打印速度、打印平臺溫度；

（3）PLA/PTW 共混物的最佳工藝參數組合為：噴頭溫度210 ℃、打印平臺溫度80 ℃和打印速度40 mm/s，此時PLA/PTW 共混物的綜合力學性能最佳，沖擊強度達到30.23 kJ/m2，拉伸強度達到18.79 MPa。