东营3D打印

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3D打印实现对材料性能进一步的优化和提升

更新时间: 2021-08-03 10:06:44  查看次数: 272    

主要采用熔融共混、机械共混等复合材料加工手段,将纳米颗粒、微米颗粒引入到高分子树脂基体中,通过调节这些颗粒的种类和数量,使其能在满足3D打印成型的需求前提下,提升材料的性能表现。并且研究了利用3D打印技术的特点,包括打印参数、打印路径、多材料组合等调节方式,实现对材料性能进一步的优化和提升。


主要的研宄成果有以下几个方面:

(1)成功制备了用于FDM打印的碳纳米管/热塑性聚氨酯导电复合材料线材。在碳纳米管含量为5wt.%的时候,导电率为101S/m。通过对3D打印机硬件中的喉管加长,以及针对horseshoe结构的打印路径优化,实现了对于Horseshoe结构的精确打印。Horseshoe结构的拉伸响应呈现J型曲线,比宽度主要影响第一阶段的斜率,圆弧的弧度变化决定力学响应发生转变的应变值。碳纳米管含量增加会使得复合材料的力学性能也相应提升,但是这种提升只提高Horseshoe结构拉伸第二阶段的斜率,对于第一阶段的力学响应影响甚微。5wt.%含量CNT/TPU复合材料所打印的Horseshoe结构在拉伸时呈现初始阶段导电率保持稳定,而在发生转变之后导电率急剧下降。这种特性可被利用作为适用人体的弹性导体应用。

(2)成功制备了可用于DIW打印的二氧化桂/环氧树脂复合材料。实现打印的关键在于形成环氧树脂凝胶,使材料具备保持形状的能力。纳米二氧化硅颗粒起到关键的作用,正是由于二氧化硅颗粒表面的基团相互作用联结形成三维网络,束缚树脂流动,才呈现出凝胶状态。在这个过程中,二氧化硅的比表面积越高,形成的凝胶储能模量越高,剪切屈服应力越高;含量提升也能提高凝胶的力学性能;而颗粒的分散性越好,凝胶状态越弱。凝胶的流变性质与打印成型的精度密切相关,储能模量和剪切屈服应力越高,成型越精确,但同时要兼顾3D打印挤出的工艺。当使用打印墨水(二氧化硅含量10wt.%)储能模量104Pa、剪切屈服应力200Pa,选用0.4mm直径的打印头,挤出丝直径调整到0.5mm,可以获得较好的打印效果。力学性能测试,包括准静态拉伸、准静态弯曲、断裂、摆锤冲击均显示打印件相比模具成型件没有力学性能上的下降,并且不同打印路径下也未产生明显的差异。


(3)成功制备了可用于DIW打印的短碳纤维/二氧化娃/形状记忆环氧树脂复合材料。微米量级的短碳纤维粉末对环氧树脂形成凝胶状态的贡献不大,主要依靠二氧化硅颗粒的作用得到合格的打印墨水。短碳纤维对打印样品力学性能的提升作用明显,由于短碳纤维在挤出过程中形成了取向,在沿纤维取向方向拉伸测试结果显示,模量可以达到9.1GPa,相比纯环氧提升了237%,相比于模具成型的样品提升20%;拉伸强度达到101.8MPa,相比纯环氧提升了36.8%,相比模具成型样品提升与之相当。动态力学性能测试显示在环氧玻璃化转变温度以上,沿纤维取向方向储能模量能达到200MPa。其力学性能远高于一般形状记忆高分子材料在室温及转变温度以上的力学性能。我们制备了可作为支撑的环氧打印材料,通过双打印头打印体系,成功实现了三维高跨度结构的3D打印,更有助于将此高性能形状记忆材料用于实际应用场景。

(4)成功制备了适用于DIW打印的石墨/短碳纤维/二氧化桂/环氧树脂复合材料。此材料配方有助于提高环氧树脂的摩擦磨损性能。材料挤出过程中,具有较高长径比的短碳纤维和石墨片均形成了沿挤出方向的取向。对打印样品平行于填料取向方向及垂直于填料取向方向的表面进行摩擦测试,结果显示:随着正压力的增大,填料取向之后材料不同表面的摩擦磨损性能有较大差异。其中与填料取向平行的表面在12N以下的正压力下,呈现出最稳定的摩擦表现,其摩擦系数保持在0.25以下和比磨损率维持在l(T17mm3/(Nin)量级。相比较而言,与填料取向垂直的表面则出现随正压力增大,摩擦系数和比磨损率大幅增长,在12N下摩擦系数要高出100%,比磨损率要高出一个量级。造成这种差异的主要原因在于短碳纤维在基体出现磨损之后的状态,前者纤维经历短碳纤维磨薄、断裂、剥离的过程,有助于提高材料的摩擦磨损性能;后者短碳纤维容易形成一端包埋在基体而另一端裸露的形态,会刮落形成的转移膜或截断形成硬质的磨粒,不利于降低摩擦系数及磨损。进一步通过3D打印路径的组合实现填料取向的组合,形成近表面为平行取向填料而底部为垂直取向的T型形态,在正压力15N的情况下,当平行部分的厚度到垂直部分厚度的1/10时,摩擦系数呈现出稳定的低值0.21,比磨损率相较于单一取向的样品下降2个数量级,达到HT17mm3(Nm)量级。