供稿人：高爽、苗愷 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2024-04-23
由于聚合物之前在聚合物泡沫生產中的應用，以及他們的市場可用性、易加工性和強度重量比優(yōu)勢顯著，聚合物迅速融入到這種結構的生產中。市場中的聚合物泡沫大多數(shù)是開孔泡沫結構，傳統(tǒng)的制造技術很難制造出復雜的細胞結構，伴隨著熱膨脹微球、納米顆粒填充的長絲的發(fā)展，采用3D打印方式制備發(fā)泡材料成為重要研究課題。通過FFF工藝制備泡沫結構難以在微觀水平上精確控制細胞形態(tài)，研究團隊旨在通過使用FFF工藝的新型發(fā)泡長絲通過控制打印溫度實現(xiàn)對泡沫結構的控制。采用熱塑性彈性體和熱膨脹微球復合材料制成適于生產發(fā)泡零件的可發(fā)泡長絲，研究了材料打印參數(shù)對其性能的影響。
文中使用的發(fā)泡長絲為NFE長絲，由TPE-A與未發(fā)生膨脹的熱膨脹微球（TEM）復合制成。
圖1 FFF工藝制備樣品流程
圖2 不同噴嘴溫度下的打印試樣
綜合差示掃描量熱法（DSC）、掃描電子顯微鏡（SEM）等實驗結果最終得到該類熱膨脹微球（TEM）的膨脹曲線。NFE長絲的DSC分析表明，長絲的軟化與熔化溫度低于TEM的開始膨脹溫度，且在一個溫度范圍內，材料將保持無泡沫、開始產生泡沫與最終崩潰三個階段的變化。
圖3 TEM膨脹曲線
這項研究涉及到新型發(fā)泡長絲的物理特性及通過FFF工藝在微觀水平上精確產生閉細胞形態(tài)的能力。在FFF過程中，TEM的膨脹降低了樣品的密度，增加了樣品的尺寸，同時減小了沉積線和層之間的空隙。因此可以通過調整FFF工藝參數(shù)來控制多孔部件的樣品密度。實驗結果表明，3D打印樣品的密度降低主要通過提高打印機噴嘴溫度進行控制，并且可以用Gompertz函數(shù)用來預測密度降低關于溫度的函數(shù)。一系列的結果證明這種發(fā)泡長絲能夠在較低打印溫度下生產具有較高拉伸強度的樣品，并且可以通過密度預測函數(shù)調整最終樣件密度。這使得發(fā)泡長絲在制造梯度結構方面具有應用潛力。