直接观察3D聚合物打印时线材如何填充挤出管

来源：化学与材料科学  

3D打印技术已被广泛用于快速原型制造，以及医用植入物的制造等领域。在打印时，固体聚合物线材被送入挤出管内融化，以生成构建 3D产品所需的细丝。为方便送料，线材和挤出管内壁设计留有约0.13 毫米的间隙。目前还不清楚，在打印时这个间隙是如何被融化的聚合物填充的。清楚了解填充机制，有助于对线材挤出过程中的温度和压力分布的建模。进而优化打印参数，从而提升产品质量。

近期，德克萨斯大学罗成教授课题组用加热的玻璃管，营造出与市售的3D打印机中金属挤出管内相似的环境，并透过玻璃管直接观察丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 和聚乳酸 (PLA) 线材填充玻璃管的过程。首先，他们制定了一个判定间隙填充的标准。然后，针对挤出温度和进料速率的不同组合观察间隙填充过程。他们使用了不同颜色制成的ABS 和 PLA 线材来辅助观察。尽管 ABS 和 PLA 分属于无定形和半结晶聚合物，但他们发现：1) 二者填充间隙的过程均包括三个基本步骤； 2) 间隙填充高度取决于挤出温度和进料速率； 3) 从空管开始挤出，与挤出暂停后恢复挤出的两个案例中，间隙填充高度没有明显差异。

如下面两个短视频所示，归纳出的三个基本填充的步骤为 : I） 线材端头与加热管壁接触并迅速填充周围的间隙。II）未填充的加热部分空管，自上而下被填充。在此过程中，间隙填充高度基本维持不变。 III）聚合物进入喷嘴后，间隙填充高度上升。

视频一是以中等速度（2.5 毫米/秒）输送ABS线材的填充案例。视频二是高送料速度（5.0 毫米/秒）的案例。两个视频中的挤出温度同为230°C。实验结果纠正了之前所认为的间隙是在线材进入喷嘴时才开始被填充的假设，对挤出管的设计有所帮助。同时，验证了目前一些理论模型使用的假设：在正常打印时，挤出管可以近似为被完全填充。这些理论模型包括罗成教授与合作者在同一期刊发表的另外两篇论文中使用的理论模型。

实验工作主要由本文第一作者，德克萨斯大学阿灵顿分校工程院博士生洪野完成。同校博士生Manjarik Mrinal和两位本科生, Huy Si Phan和Vinh Dung Tran，提供了必要的实验帮助。弗吉尼亚州立大学刘新川教授参与数据分析。

原文链接
https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102507