采用原位辅助加热工艺对增材制造结构的层间增强

供稿人：赵艺帆、曹毅 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　

材料挤压，由于其广泛应用于功能材料，如工程塑料、复合材料、生物相容性材料甚至可食用材料，是增材制造技术中最受欢迎和普遍应用的工艺，但其缺点是层间强度较差， z方向上与其他方向具有巨大的各向异性。

为此，该研究提出了一种有效的强化方法，在3D打印过程中引入双向原位红外(IR)加热装置。将辅助红外辐射装置应用于打印路径沉积区域在玻璃化转变温度下的打印聚合物，这将会导致分子扩散和链在沉积界面再纠缠。此外，加热技术不仅有助于消除由热应力引起的结构缺陷，而且有助于提高机械强度，特别是在横向和垂直方向上分层的结构。

实验过程如下所示：采用辅助加热装置对3D打印机进行改造。对于PLA和PC的3D打印，喷嘴温度分别设置为200℃和270℃。此外，为获得稳定的初始沉积，PC打印基板加热到135℃。加热模块采用一对红外辐照装置，装载在一个双支架上，该支架安装在打印喷嘴的圆周上，支架上的红外辐照装置可以绕z轴旋转、倾斜并朝向或远离喷嘴照射，可以控制目标的位置和焦距在打印路径周围进行红外照射，如图1所示。通过调整所连接电源的输入电压在5~20V范围内，将红外装置的照射功率设置在6~52W范围内。红外源到工件表面的距离设置为15、20和25mm。对尺寸为90×25×2mm和15 ×4 ×40 mm的试样进行拉伸测试。

图1 （a）原位红外辐照模块的3d打印原理图（b）从光源延伸到目标表面的红外辐射区

实验结果表明，该原位红外辐照有以下优势：

（1）减轻结构性扭曲

结构翘曲经常发生在较薄的几何结构中，不可避免地容易受到挤压打印过程固有热应力的影响。用红外加热打印的PLA和PC的薄盘状样品（直径100mm，厚度3mm），与正常打印的样品相比，翘曲最小，如图2（a）所示。在PC的打印过程中，初始层也不能附着在打印基板上，这经常在高度纠缠的非晶态聚合物中观察到，如PC和其他聚合物。当打印窄、长或高的结构时，在打印方向上会发生更明显的扭曲。如图2（b）所示，当红外加热的输入功率增加到52W时，原位红外加热基本稳定了这种结构畸变。

图2 （a）有无红外加热的翘曲现象（b）不同电压下横纵试样红外加热改善翘曲的程度

（2）提高试样力学性能

图3（a）比较了纵向打印PLA试样在不同输入功率下红外加热下的抗拉强度。输入功率为37W时具有最高的抗拉强度（48.2MPa），比正常打印的试样（40.6MPa）提高了18.7%。图3（b）比较了横向打印的PLA样品的抗拉强度。抗拉强度随着输入功率的增加而增加，其改善的程度比纵向打印的情况更显著。当输入功率为37W时，抗拉强度增加到33.8MPa，比正常打印的试样（20.3MPa）提高了67%。

图3（a）PLA纵向不同功率下的抗拉强度 （b）PLA横向不同功率的抗拉强度

总体而言，PC与PLA实验具有相似的趋势，红外辐射试样的抗拉强度随着红外输入功率的增加而提高，然而，改善的程度并没有PLA试样那么大。PC在不同功率下的抗拉强度如图（a）所示。如图4（b）所示，在52W红外功率下，PC试样的最高抗拉强度比正常打印的试样提高了24%，而PLAs在37W时，改善幅度为66.5%（图3（b））。这两种材料之间的差异是由于PC的高Tg，力学性能的增强是因为分子的扩散和链在沉积层之间界面上的再纠缠，但是当具有高Tg的聚合物熔合时，它们的相互扩散和再纠缠的时间相对较短，从而减轻了红外辐照的增强效应。

图4（a）PC纵向不同功率下的抗拉强度 （b）PC横向不同功率的抗拉强度

使用基于3D打印工艺的零件表现出较差的层间强度，特别是在聚合物熔体沉积界面上，从而导致力学性能的各向异性恶化。此外，突变的温度梯度导致了热应力在打印结构中的频繁积累，导致了翘曲甚至裂纹。为了解决这些问题，该研究设计了一个红外加热装置，并验证了提高机械强度和结构性能的可行性。此外，该系统使用的仪器具有灵活性，可以调节红外辐射的功率、距离和入射角，可以扩展到其他工程材料在工业层面上对3D工艺的适用性。

参考文献：
Lee Ji Eun,Park Seong Je,Son Yong,Park Keun,Park Suk Hee. Mechanical Reinforcement of Additive-Manufactured Constructs using In Situ Auxiliary Heating Process[J]. Additive Manufacturing,2021,43. DOI:10.1016/j.addma.2021.101995.