熔融增材制造技术打印PLA基聚合物复合材料的力学与几何性能

供稿人:汤磊 李涤尘
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

熔融长丝制造（Fused Filament Fabrication，简称FFF）由于其工艺简单、成本低廉和材料浪费少而成为一种广泛应用的增材制造技术。而聚乳酸（Polylactic Acid，简称PLA）则是一种具有良好物理性能的生态友好型生物相容性材料，其在生物医学、包装和纺织等领域具有广泛的应用，需求量巨大。然而，由于FFF技术制备的纯聚合物产品缺乏足够的强度与精度用于功能部件，因此大部分FFF技术制备的样品只能用于快速原型应用。可以通过将颗粒或纤维作为增强材料添加到聚合物中制造出具有较高机械性能和改进改进功能的复合材料。相较于长纤维增强的聚合物复合材料，短纤维增强的聚合物复合材料虽然在打印方向上的材料力学性能稍逊一筹，但其在其他方向上具有更好的力学性能，同时也具有更高的成型精度，样件的孔隙率也会更低。

在本文中，学者们研究了熔融长丝技术制造的短碳纤维增强的聚乳酸复合材料零件的力学性能和几何性能。分别采用了纯PLA丝材与短碳纤维增强的PLA丝材打印制造了不同的测试样件。对两种材料进行了拉伸、弯曲和层间剪切强度进行测试以获得不同材料的力学性能。

图 1 拉伸、弯曲以及层间剪切强度样件形状与尺寸

力学测试的结果显示，与纯PLA材料相比，添加碳纤维可以有效的改善复合材料的所有力学性能。特别是，碳纤维复合PLA材料的拉伸强度提高了47%，拉伸模量提高了179%，平均弯曲强度和刚度分别增加了89.75％和230.95％。此外，碳纤维复合PLA材料具有较好的层间剪切强度，比纯PLA材料提高了133%。

图 2 纯PLA材料与碳纤维复合PLA材料的层间剪切强度对比

另一方面，碳纤维复合PLA材料的破坏应变要比纯PLA小，这说明碳纤维的添加会使得复合材料变的更脆。精度研究结果显示，在PLA基质中添加碳纤维并不会影响3D打印的样品的尺寸精度，甚至在某些情况下（尤其是在平面以及边缘位置）可以一定程度上改善样件的表面粗糙度。

参考文献：
Reverte, J. M., Caminero, M. á., Chacón, J. M., García-Plaza, E., Núñez, P. J., & Becar, J. P. (2020). Mechanical and Geometric Performance of PLA-Based Polymer Composites Processed by the Fused Filament Fabrication Additive Manufacturing Technique. Materials, 13(8), 1924.