直接觀察3D聚合物打印時(shí)線材如何填充擠出管

來(lái)源：化學(xué)與材料科學(xué)  

3D打印技術(shù)已被廣泛用于快速原型制造,，以及醫(yī)用植入物的制造等領(lǐng)域。在打印時(shí),，固體聚合物線材被送入擠出管內(nèi)融化,，以生成構(gòu)建 3D產(chǎn)品所需的細(xì)絲。為方便送料,，線材和擠出管內(nèi)壁設(shè)計(jì)留有約0.13 毫米的間隙,。目前還不清楚，在打印時(shí)這個(gè)間隙是如何被融化的聚合物填充的,。清楚了解填充機(jī)制,，有助于對(duì)線材擠出過(guò)程中的溫度和壓力分布的建模。進(jìn)而優(yōu)化打印參數(shù),，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量,。

近期，德克薩斯大學(xué)羅成教授課題組用加熱的玻璃管,，營(yíng)造出與市售的3D打印機(jī)中金屬擠出管內(nèi)相似的環(huán)境,，并透過(guò)玻璃管直接觀察丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 和聚乳酸 (PLA) 線材填充玻璃管的過(guò)程。首先,，他們制定了一個(gè)判定間隙填充的標(biāo)準(zhǔn),。然后，針對(duì)擠出溫度和進(jìn)料速率的不同組合觀察間隙填充過(guò)程,。他們使用了不同顏色制成的ABS 和 PLA 線材來(lái)輔助觀察,。盡管 ABS 和 PLA 分屬于無(wú)定形和半結(jié)晶聚合物，但他們發(fā)現(xiàn)：1) 二者填充間隙的過(guò)程均包括三個(gè)基本步驟,； 2) 間隙填充高度取決于擠出溫度和進(jìn)料速率,； 3) 從空管開(kāi)始擠出，與擠出暫停后恢復(fù)擠出的兩個(gè)案例中,，間隙填充高度沒(méi)有明顯差異,。

如下面兩個(gè)短視頻所示，歸納出的三個(gè)基本填充的步驟為 : I） 線材端頭與加熱管壁接觸并迅速填充周圍的間隙,。II）未填充的加熱部分空管,，自上而下被填充。在此過(guò)程中,，間隙填充高度基本維持不變,。 III）聚合物進(jìn)入噴嘴后，間隙填充高度上升,。

視頻一是以中等速度（2.5 毫米/秒）輸送ABS線材的填充案例,。視頻二是高送料速度（5.0 毫米/秒）的案例,。兩個(gè)視頻中的擠出溫度同為230°C。實(shí)驗(yàn)結(jié)果糾正了之前所認(rèn)為的間隙是在線材進(jìn)入噴嘴時(shí)才開(kāi)始被填充的假設(shè),，對(duì)擠出管的設(shè)計(jì)有所幫助,。同時(shí)，驗(yàn)證了目前一些理論模型使用的假設(shè)：在正常打印時(shí),，擠出管可以近似為被完全填充。這些理論模型包括羅成教授與合作者在同一期刊發(fā)表的另外兩篇論文中使用的理論模型,。

實(shí)驗(yàn)工作主要由本文第一作者,，德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校工程院博士生洪野完成。同校博士生Manjarik Mrinal和兩位本科生, Huy Si Phan和Vinh Dung Tran,，提供了必要的實(shí)驗(yàn)幫助,。弗吉尼亞州立大學(xué)劉新川教授參與數(shù)據(jù)分析。

原文鏈接
https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102507