高分子材料在熔融沉积成形中的应用

2015-02-24冯婧刘艳陈德根王宜志刘霞

橡塑技术与装备 2015年24期

关键词：收缩率熔融高分子

冯婧，刘艳，陈德根，王宜志，刘霞

（广东科技学院机电工程系，广东东莞 523083）

高分子材料在熔融沉积成形中的应用

Application of Ppolymer Materials in fused deposition modeling

冯婧，刘艳，陈德根，王宜志，刘霞

（广东科技学院机电工程系，广东东莞 523083）

高分子材料是目前应用最广泛的熔融沉积（FDM）成形材料，利用FDM工艺可以成形各种结构复杂的高分子制件。本文叙述了FDM用高分子材料种类，并讨论了高分子材料特性对FDM成形的影响。

熔融沉积成形；高分子材料；种类；特性

近年来，随着3D打印设备的微型化和桌面化，价格实惠的桌面型3D打印机越来越受到人们的青睐[1]。这类桌面机一般采用熔融沉积成形（FDM）技术，利用喷头把基材加热至熔融温度，流出后凝固，逐层沉积形成三维工件。FDM主要采用丝状材料石蜡、金属、塑料、低熔点合金作为原材料[2]，高分子材料是目前应用最广泛的FDM成形材料。本文首先对FDM用高分子材料的种类进行了讨论，然后给出了高分子材料的FDM成形机理，并讨论了高分子材料特性对FDM成形的影响。

1 FDM用高分子材料种类

FDM工艺对成形材料的要求是熔融温度低、黏度低、黏结性好、收缩率小。目前市场上的桌面级3D打印机，常用丝材主要有丙烯腈—丁二烯—苯乙烯聚合物（ABS）和聚乳酸（PLA）。

1.1 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）

ABS树脂是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的三元共聚物，是在对聚苯乙烯改性过程中开发出来的聚合物材料，丙烯腈能使聚合物耐化学腐蚀，且有一定的表面强度，丁二烯使聚合物呈现橡胶状韧性，苯乙烯使聚合物具有较好的流动性，ABS树脂是目前通过熔融沉积3D打印的首选工程塑料[3]。利用ABS树脂进行熔融沉积成形时，其优点是综合性能较好，耐热耐寒，化学稳定性好，电绝缘性能良好，缺点是热收缩率高，模型容易变形，工作时会产生刺鼻的有害气体。目前，利用桌面级3D打印机打印时，打印表面易出现卷曲现象[4]。

1.2 聚乳酸（PLA）

PLA是使用可再生的植物资源（如玉米）所提出的淀粉原料制成，是一种生物可降解塑料，使用后能被自然界中微生物完全降解，无毒无害，是公认的环境友好材料。收缩率低，韧性好强度高，但不耐热，化学稳定性差，燃烧时火焰呈蓝色，无烟，气温温和，起丝较长。PLA加工方便，具有较低的熔体强度，打印模型更容易塑形。PLA是晶体，相变时会吸收喷嘴的热能，因此部分PLA可使喷嘴堵塞的可能性更大。

2 高分子材料熔融沉积成形机理

桌面级 3D 打印机的耗材通常是高分子线材，为了使线材加热熔融沉积，必须设计一个传输机构（挤出机）和一个加热装置（喷嘴）。将丝状的热塑性材料通过喷头加热熔化，然后利用喷头底部的微细喷嘴将材料以一定的压力挤喷出来，同时喷头沿水平方向通过扫描形式形成制件的截面形状，而工作台沿竖直方向移动作层面厚度的位移。这样挤出的材料既具有一定的流动性，又能保证很好的精度，一层成型完成后，机器工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔融沉积，直至完成整个造型。

3 高分子材料特性对熔融沉积成形的影响

3.1 力学性能

FDM成形工艺要求高分子材料在驱动力的作用下，不易发生断丝和弯折现象，这就要求高分子材料要具有较好的抗弯、抗压和抗拉强度，以及具有较好的的柔韧性。

高分子材料是否能从挤出机中顺利挤出，是影响FDM成型精度的因素之一，这就需要选择具有流动性好、黏度低的材料。如果选择流动性差、黏度高的材料，则会增大送丝压力，增加喷头的启停响应时间，影响成型精度。

FDM 成形工艺是分层制造的，每一层片是在上一层的基础上堆积而成，从而造成层间材料强度最弱，所以黏结性的好坏决定了材料成型以后的强度。黏结性过低，则由于成型过程中热应力的影响，会造成层与层之间的开裂。

3.2 物理和化学性能

高分子材料在受热过程中容易发生链段运动和整个分子链运动，其熔融温度的高低决定着熔融沉积成形的成型精度。熔融温度低，则材料在较低温度下就可挤出成型，从而减少材料在挤出前后的温差，减少热应力，提高成型精度。目前ABS的打印温度一般控制在240~270 ℃，PLA的打印温度一般控制在190~ 210 ℃。

高分子材料由于受热时分子链间的缠绕程度降低，分子间结合力减小，使高分子材料加热时产生体积和尺寸增大。FDM成型工艺需要材料具有热胀冷缩小的特性，如果成型材料对温度太敏感，则会产生零件的翘曲、开裂等缺陷，一般要求其线性收缩率小于1%，这样可以提高模型或产品的尺寸精度。ABS的收缩率变化最大范围约为0.3% ~ 0.8%。