聚乳酸/有机蒙脱土改性复合材料3D打印工艺的研究*

胡程诚，王成诺，耿广旭，华 丽，孙岳玲，李 瑞

(扬州工业职业技术学院化工学院，江苏 扬州 225127)

目前，聚乳酸材料已经广泛的应用于熔融沉积成型3D打印领域，聚乳酸丝材有自身的缺点：强度和韧性比较差、打印中易断丝、制品较脆等。因此如何改善聚乳酸材料的性能成为了人们研究的热点[1-2]。本课题组早就对聚乳酸的改性做出了理论和实践的研究[3]。研究发现蒙脱土可以作为一种增韧剂，与聚乳酸进行物理共混，很大程度上就改变了聚乳酸的韧性，机械强度的增加也使得聚乳酸和蒙脱土制出的纳米复合材料在3D打印材料选择和运用具有更大的竞争力。本文研究改性的PLA/O-MMT复合材料在3D打印的影响。

1 3D打印原理

实验室的3D打印机采用熔融沉积建造模型这种3D打印技术利用电源加热的方法将丝带状高分子材料加热，达到材料的熔点，打印喷头在电脑的程序控制下，沿轴向做平面运动。图1是实验室使用的两种型号的打印机。工作台对熔融状态下的改性材料打印绘制，通过覆盖在托盘上形成一层截面，然后精确的层层叠加，涂覆，一直到打印出和电脑上设计的实物一致的模型[4-5]。

图1 3D打印机Fig.1 3D printer

2 实 验

2.1 实验材料

3D打印材料如表1所示。

表1 3D打印材料Table 1 3D printing material

2.2 实验设备

桌面级3D打印机，杭州先临三维科技股份有限公司；切片软件，Print Rite CoLi DoRepetier-Host；TY-8000型电子万能实验机，江苏天源实验设备有限公司；TY-4020型简支梁冲击实验机，江苏天源实验设备有限公司。

2.3 样品制备

按照GB/T 1040.2-2006、ASTM-D256标准，制作尺寸如图2所示的拉伸、冲击用的试样三维模型，并导出STL文件，按系统默认值设置时弦长、角度大小以及步长大小，接着按照表2参数信息用切片软件切片打印，沿着样品长度方向打印，45°角直线填充。

图2 样品尺寸Fig.2 Sample size

表2 样品打印参数Table 2 Sample printing parameter

2.4 机械性能测试

本实验主要测试了3D打印材料的拉伸性能，按照 GB/T1040.2-2006进行测试，确定拉伸速率为5 mm/min；冲击性能按 ASTM-D256 测试，确定摆锤能量为5.5 J。研究了打印速度、打印温度、填充密度、打印参数对3D打印产品机械性能的影响。

3 结果与讨论

3.1 打印速度对样品的影响

打印速度对聚乳酸/蒙脱土打印制品的影响如图3所示，拉伸应力与应变曲线的关系图。它的机械性能表现如图4所示。从图4可以看出，随着打印速度的增大，样品的强度就越差，变得越来越脆，打印速度为 60 mm/s 的拉伸强度比打印速度为20 mm/s降低了62%、打印速度为20 mm/s的冲击强度比打印速度为20 mm/s降低了18%。产生这一现象的原因是在打印喷头的快速移动中，产生振动和惯性，这些都造成打印产品精度的下降，从而产品强度降低。

图3 不同打印速度时拉伸应力与应变曲线的关系图Fig.3 The relationship between tensile stress and strain curve at different printing speed

图4 打印速度对机械性能的影响Fig.4 The effect of printing speed on mechanical propertie

3.2 打印温度对样品的影响

打印温度不同，产品的应力-应变曲线如图5所示，打印温度对机械性能的影响如图6所示。

由图6中可以得出，拉伸强度随温度的升高快速增强，而冲击强度则快速下降，打印温度为225 ℃ 的拉伸强度比打印温度为195 ℃的拉伸强度，增加13%；打印温度为225 ℃的冲击强度比打印温度为195 ℃时的冲击强度减少了100%。这是因为在打印过程中聚乳酸/蒙脱土的材料分子会随着打印喷头运动，相互平行，随着打印温度的升高，一些排列好的塑料未被冷却，就会留在样品中，沿着打印方向会出现分子取向。样品拉伸实验时，分子取向与受力方向相同；样品冲击实验时冲击力与分子取向方向垂直。因此温度越高，拉伸强度越大，冲击强度越小。

图5 不同打印温度时拉伸应力与应变曲线的关系图Fig.5 The relationship between tensile stress and strain at different printing temperature

图6 打印温度对机械性能的影响Fig.6 The effect of printing temperature on mechanical propertie

3.3 填充密度对样品的影响

填充密度不同得到了产品应力-应变曲线如图7所示，填充密度对机械性能的影响见图8。

设置每层填充的角度其值范围从0±180°。由图8可知，随着填充密度的增加，拉伸强度和冲击强度都提高了，填充密度为50%的拉伸强度比填充密度25%的增加了32%；填充密度为50%的冲击强度比填充密度25%增加了300%，探究原因是填充密度越大，打印耗材越多，强度就越高。

图7 不同填充密度时拉伸应力与应变曲线的关系图Fig.7 Relation between tensile stress and strain curves at different filling densitie

图8 填充密度对机械性能的影响Fig.8 Effect of filling density on mechanical propertie

3.4 打印参数对样品的影响

切片后，设置打印信息参数如表3所示。从表3中可以看出，打印时间越短，也就是打印的速度越快，打印耗材越小；此外，层的厚度会影响到3D打印的效果，层设置的越薄，打印时间会变长，但产品精度增高，反之，层设置的较厚，打印的速度虽然快了，但是打印的精度却降低了。

表3 打印参数的设置Table 3 Settings of printing parameter

3.5 打印实物展示

选用PLA/MMT复合材料经拉丝以后用于3D打印，选用设定的程序和打印参数，打印出两种成品，如图9所示。由于聚乳酸/有机蒙脱土复合材料的缺点[5]，不适合打印形状结构复杂、悬空结构多的精度和表面质量要求的产品和配件，目前在实验室选用的实心的简单玩具。

图9 3D打印成品展示图Fig.9 3D print the finished product displa

4 结论与展望

4.1 结 论

(1)设置打印信息参数，打印时间越短，打印耗材越小；层的厚度会影响到3D打印的效果，层设置的越薄，打印时间会变长，但产品精度增高。

(2)打印速度增大，样品的强度就越差，变得越来越脆，

(3)打印温度越高，样品的拉伸强度越大，冲击强度越小。

(4)填充密度越大，样品的拉伸强度、冲击强度就越大。

4.2 展 望

聚乳酸/蒙脱土纳米复合材料拥有很好的生物相容性和降解性，被认为是非常好的生物高分子材料，这种材料 3D 打印的产品外表光滑，广泛地应用于医学领域。但由于3D 打印聚乳酸/蒙脱土纳米复合材料成本比较高，材料的性能不够完善，很难以满足生产要求的品质。未来，低成本、高性能、实用性好的3D 打印复合材料仍将是人们研究的热点[6]。聚乳酸/蒙脱土纳米复合材料3D打印材料的性能会得到进一步的改进。