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甯波材料所在高分子複合材料3D打印方面取得進展
作者:,日期:2019-05-08

  隨著科技的不斷發展進步,3D打印技術作爲一種全新的數字化模擬制造技術應運而生並迅速發展。其中,熔融沈積技術具有設備簡單、工藝潔淨、運行成本低且不産生過多加工殘留物等優點,被廣泛應用于快速原型和教育等領域。但現有的熔融沈積材料主要以ABS和PLA等通用塑料爲主,需要針對工業産品制造開發適合高強度工程塑料等材料的3D打印成型技術。

  中國科學院宁波材料技术与工程研究所增材制造重点实验室许高杰团队针对高性能工程塑料3D打印技术开展了一系列研究工作。选取了具有高坚韧度和抗疲劳特性的半晶态尼龙12和高强度聚醚酰亚胺作为基体,研究了熔体流变特性对熔融长丝烧结特性的影响,对高性能工程塑料的3D打印工艺参数、工业可用性进行了研究。研究发现,半结晶高分子具有较好的流变性能和快速烧结特性,在合适的打印条件下能够获得接近注塑件的力学性能。拓展了高温高强度工程塑料在熔融沉积技术中的应用(Rapid Prototyping Journal, 2017, 23(6), 973–982. High Performance Polymers, 2019, 31(1): 97-106.)。

  由于熔融沉积层层叠加成型过程产生的空隙会不可避免地降低3D打印产品的机械强度,严重制约了熔融沉积技术的应用推广。研究人员在工艺研究的基础上,开发了尼龙12/氧化石墨烯、尼龙12/碳纤维复合材料。研究发现两种填料在熔融沉积成型过程中可实现取向分布,不仅有效提高了产品的机械强度(GNPs 7%和CFs 251.1%),还能够对产品热导率(提高51.4%)进行灵活调控。(Journal of Applied Polymer Science, 2017, 134(39), 45332.; Materials & Design, 2018, 139: 283-292.)。

  最近,研究人員以聚乳酸(PLA)爲基體,以熱塑性聚氨酯(TPU)爲填料,通過熔融沈積技術的整個加工流程實現了彈性體TPU原位成纖,纖維狀TPU的平均長度可以實現從67.24μm到103.72μm的精准調控。同時,TPU成纖有效改善了其與PLA基體的界面結合力。研究發現,3D打印形成的網格狀TPU可有效補償打印空隙對打印件力學強度的弱化效應,使産品的韌性達到甚至超過注塑水平。該熔融沈積原位纖維技術爲制備高韌性聚乳酸複雜結構零件提供了簡便有效的方法(Macromolecular Materials and Engineering, 2019, 1900107)。

  以上工作得到了国家自然科学基金(11574331, 11674335)和宁波市科技局(2016B10005, 2018A610009)的资助。

 

图1 共混物熔融沉积成型流程图

 

图2 注塑(a)和打印(b)成型件中TPU的分布形貌

 

图3 TPU含量和分布结构对制件冲击强度的影响

  

  (纳米事业部/浙江省增材制造重点实验室 王建业 张一帆)