什么是3D打印熱塑性聚氨酯的拉伸各向異性？
時間：2022-11-19 16:15 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2022年11月19日，已發(fā)表在《增材制造》上的一篇論文中，研究人員探索了基于聚合物熔體擠出的3D打印(ME3DP)工藝和新沉積的熱塑性聚氨酯(TPU)所涉及的溫度降低，以及與界面開發(fā)相關(guān)的機(jī)械依賴性。
技術(shù)背景
ME3DP工藝具有使用簡單、成本低且適用于各種聚合物的材料的特點。機(jī)械各向異性通常是因為3D空間中的光柵結(jié)構(gòu)不均勻而引起的，這種物品的失敗最初是在界面區(qū)域發(fā)現(xiàn)的。因此，觀察到3D打印物體的整體機(jī)械性能，主要由界面層的粘合強(qiáng)度和孔隙率決定。
此外，新沉積的熔體所觀察到的溫度和重新超過臨界溫度（Tg）所需的時間，決定了整個粘合層中分子鏈的擴(kuò)散和糾纏程度。TPU和其他無定形彈性體的Tg通常小于零，僅通過環(huán)境冷卻是無法達(dá)到的。因此，目前還不清楚擴(kuò)散動力學(xué)必須在什么溫度下結(jié)束。矯形器、低溫隔離器、減震器和其它產(chǎn)品的生產(chǎn)，有可能用3D打印的TPU來促進(jìn)。然而，需要進(jìn)行徹底的研究，以了解3D打印的TPU所表現(xiàn)出的過程-結(jié)構(gòu)-性能。
關(guān)于研究
在本研究中，由聚酯基化合物組成的商業(yè)TPU長絲是用丁烷-1,4-二醇和亞甲基二苯基二異氰酸酯生產(chǎn)的。當(dāng)擠出的熔融股料沉積時，噴嘴溫度設(shè)定為245°C。自行編輯的G代碼控制著噴嘴的軌跡。然后，打印片被切割成拉伸條。使用通用測試設(shè)備檢查CM和3D打印樣品的拉伸特性。使用稱為極限拉伸強(qiáng)度(UTS)的指標(biāo)評估打印材料的機(jī)械強(qiáng)度。
掃描電子顯微鏡(SEM)用于分析打印樣品的橫截面形態(tài)。該團(tuán)隊在偏光顯微鏡下檢查了打印件的結(jié)晶形態(tài)。為了記錄觀察到的沉積熔體的變化瞬態(tài)溫度，使用了Tools+程序。利用差示掃描量熱法分析TPU的熱力學(xué)行為。在室溫下，廣角X射線衍射(WAXD)證實了打印樣品的微觀結(jié)構(gòu)。
過程觀察
紅外攝像機(jī)測量了噴嘴出口周圍 223°C 的初始熔體溫度。模擬結(jié)果類似于先前估計的溫度衰減的行為。在此過程中，根據(jù)傳導(dǎo)熱傳遞，襯底層同時被加熱到幾乎120°C。同時，由于輻射和對流傳熱，觀察到的新沉積熔體的溫度迅速下降。由于熔體溫度的緩和降低率，可以預(yù)測，由大直徑噴嘴產(chǎn)生的沉積熔體線，可能證明有利于產(chǎn)生更發(fā)達(dá)的界面層。多線堆積結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬表明，與新沉積線接觸的熔體線顯示出最大的愈合。
相比之下， 在電加熱的較高床溫(Tb)下生產(chǎn)的樣品具有光滑的表面。冷卻并完成打印過程后，樣品保持其預(yù)期形狀。在Tb達(dá)到160°C之前，研究結(jié)果顯示出機(jī)械各向異性。隨著Tb升高，橫向斷裂拉伸應(yīng)變增加。然而，縱向拉伸測試的斷裂應(yīng)變保持穩(wěn)定。由一對不平行于載荷方向熔線產(chǎn)生的界面，是觀察到拉伸各向異性的主要原因。
該團(tuán)隊指出，提高Tb可以顯著降低打印樣品的孔隙率。相反，較高的Tb會促進(jìn)軟鏈段結(jié)晶動力學(xué)并產(chǎn)生許多微晶，從而導(dǎo)致更顯著的相分離。當(dāng)給出足夠的結(jié)晶時間時，可以推斷在 Tb = 100-140°C 下打印的樣品所表現(xiàn)出的屈服應(yīng)力顯著升高，包括橫向和縱向屈服應(yīng)力，應(yīng)該是由于這種結(jié)晶行為。因此，有助于改善拉伸特性和拉伸各向同性的兩個主要因素是結(jié)晶動力學(xué)的增強(qiáng)和孔隙率的高度降低。
研究結(jié)論
總之，工程應(yīng)用可以利用目前的技術(shù)，將3D打印的物品轉(zhuǎn)化為一步到位的制造過程。根據(jù)模擬結(jié)果，熔體的熱量只影響緊鄰它的層，而對更遠(yuǎn)的層影響不大。當(dāng)Tb從25℃上升到160℃時，拉伸特性從各向異性轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲浴?/span>
與沉積的熔融長絲表面的分子鏈相關(guān)的弱取向度，可以通過在長停留時間下提高Tb來消除。總的來說，這項工作提供了一種打印高強(qiáng)度部件的簡單方法，同時突出了打印TPU的機(jī)械各向異性。根據(jù)作者的說法，未來可以開發(fā)出具有環(huán)境熱源和獨立冷卻系統(tǒng)的打印機(jī)。這將有助于超越目前ME3DP技術(shù)的局限性和缺陷。
技術(shù)背景
ME3DP工藝具有使用簡單、成本低且適用于各種聚合物的材料的特點。機(jī)械各向異性通常是因為3D空間中的光柵結(jié)構(gòu)不均勻而引起的，這種物品的失敗最初是在界面區(qū)域發(fā)現(xiàn)的。因此，觀察到3D打印物體的整體機(jī)械性能，主要由界面層的粘合強(qiáng)度和孔隙率決定。
此外，新沉積的熔體所觀察到的溫度和重新超過臨界溫度（Tg）所需的時間，決定了整個粘合層中分子鏈的擴(kuò)散和糾纏程度。TPU和其他無定形彈性體的Tg通常小于零，僅通過環(huán)境冷卻是無法達(dá)到的。因此，目前還不清楚擴(kuò)散動力學(xué)必須在什么溫度下結(jié)束。矯形器、低溫隔離器、減震器和其它產(chǎn)品的生產(chǎn)，有可能用3D打印的TPU來促進(jìn)。然而，需要進(jìn)行徹底的研究，以了解3D打印的TPU所表現(xiàn)出的過程-結(jié)構(gòu)-性能。
△liquid additive manufacturing (LAM) 液態(tài)3D打印技術(shù)，用聚氨酯作為材料，實現(xiàn)了將組件打印到紡織品上
關(guān)于研究
在本研究中，由聚酯基化合物組成的商業(yè)TPU長絲是用丁烷-1,4-二醇和亞甲基二苯基二異氰酸酯生產(chǎn)的。當(dāng)擠出的熔融股料沉積時，噴嘴溫度設(shè)定為245°C。自行編輯的G代碼控制著噴嘴的軌跡。然后，打印片被切割成拉伸條。使用通用測試設(shè)備檢查CM和3D打印樣品的拉伸特性。使用稱為極限拉伸強(qiáng)度(UTS)的指標(biāo)評估打印材料的機(jī)械強(qiáng)度。
掃描電子顯微鏡(SEM)用于分析打印樣品的橫截面形態(tài)。該團(tuán)隊在偏光顯微鏡下檢查了打印件的結(jié)晶形態(tài)。為了記錄觀察到的沉積熔體的變化瞬態(tài)溫度，使用了Tools+程序。利用差示掃描量熱法分析TPU的熱力學(xué)行為。在室溫下，廣角X射線衍射(WAXD)證實了打印樣品的微觀結(jié)構(gòu)。
過程觀察
紅外攝像機(jī)測量了噴嘴出口周圍 223°C 的初始熔體溫度。模擬結(jié)果類似于先前估計的溫度衰減的行為。在此過程中，根據(jù)傳導(dǎo)熱傳遞，襯底層同時被加熱到幾乎120°C。同時，由于輻射和對流傳熱，觀察到的新沉積熔體的溫度迅速下降。由于熔體溫度的緩和降低率，可以預(yù)測，由大直徑噴嘴產(chǎn)生的沉積熔體線，可能證明有利于產(chǎn)生更發(fā)達(dá)的界面層。多線堆積結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬表明，與新沉積線接觸的熔體線顯示出最大的愈合。
相比之下， 在電加熱的較高床溫(Tb)下生產(chǎn)的樣品具有光滑的表面。冷卻并完成打印過程后，樣品保持其預(yù)期形狀。在Tb達(dá)到160°C之前，研究結(jié)果顯示出機(jī)械各向異性。隨著Tb升高，橫向斷裂拉伸應(yīng)變增加。然而，縱向拉伸測試的斷裂應(yīng)變保持穩(wěn)定。由一對不平行于載荷方向熔線產(chǎn)生的界面，是觀察到拉伸各向異性的主要原因。
該團(tuán)隊指出，提高Tb可以顯著降低打印樣品的孔隙率。相反，較高的Tb會促進(jìn)軟鏈段結(jié)晶動力學(xué)并產(chǎn)生許多微晶，從而導(dǎo)致更顯著的相分離。當(dāng)給出足夠的結(jié)晶時間時，可以推斷在 Tb = 100-140°C 下打印的樣品所表現(xiàn)出的屈服應(yīng)力顯著升高，包括橫向和縱向屈服應(yīng)力，應(yīng)該是由于這種結(jié)晶行為。因此，有助于改善拉伸特性和拉伸各向同性的兩個主要因素是結(jié)晶動力學(xué)的增強(qiáng)和孔隙率的高度降低。
研究結(jié)論
總之，工程應(yīng)用可以利用目前的技術(shù)，將3D打印的物品轉(zhuǎn)化為一步到位的制造過程。根據(jù)模擬結(jié)果，熔體的熱量只影響緊鄰它的層，而對更遠(yuǎn)的層影響不大。當(dāng)Tb從25℃上升到160℃時，拉伸特性從各向異性轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲浴?/span>
與沉積的熔融長絲表面的分子鏈相關(guān)的弱取向度，可以通過在長停留時間下提高Tb來消除。總的來說，這項工作提供了一種打印高強(qiáng)度部件的簡單方法，同時突出了打印TPU的機(jī)械各向異性。根據(jù)作者的說法，未來可以開發(fā)出具有環(huán)境熱源和獨立冷卻系統(tǒng)的打印機(jī)。這將有助于超越目前ME3DP技術(shù)的局限性和缺陷。
(責(zé)任編輯：admin)
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