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清华大学研究PLA和PBS的共混物是否适合FDM 3D打印

http://www.printing.hc360.com2018年11月05日08:48 来源:增材之光 T|T

    

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    来自北京清华大学的三位研究人员最近发表了一篇题为“用于熔融沉积建模3D打印的聚(丁二酸丁二醇酯)/聚丙交酯混合物的制备和表征”的论文,“关于制备PLA材料与各种成分的PBS的混合物,然后验证它们是否适合用作FDM3D打印的丝材。

    摘要中写道:“为了获得用于熔融沉积成型(FDM)打印的高韧性和高强度的新型可生物降解材料,通过与聚乳酸(PLA)共混制备了一系列聚(丁二酸丁二醇酯)(PBS)基聚合物材料。对共混物的流变性能、热性能和机械性能以及FDM打印性能,如变形、横截面和层间粘合强度进行了表征。结果表明,增加PLA含量,共混物具有较高的熔体粘度,较大的拉伸强度和模量,更适合于FDM打印。特别是当PLA的含量大于40%时,由于残余应力收缩引起的变形在打印过程中消失,从而得到尺寸精度好、光泽珠光的产品。结果表明,粘度适中、结晶度低、模量高的共混物更适合于FDM打印。与商业FDM打印材料断裂时的低伸长率相比,PBS/PLA共混物材料表现出典型的延性行为,伸长率为90-300%。因此,PBS/PLA共混物除了具有生物降解性之外,还具有优异的机械性能和作为FDM打印材料的适用性。此外,我们的研究有望提供评估热塑性聚合物材料是否适合FDM打印的方法。”

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    通过FDM3D打印制备的PBS/PLA混合棒的外观

    在原型设计方面,FDM是最广泛采用的技术之一,并且已经对该技术进行了大量的材料研究。研究人员一直在努力开发用于FDM3D打印的新型聚合物材料,具有高尺寸精度和良好的机械性能。PLA,理论上可以在自然条件下制成二氧化碳和水,但不幸的是它是脆性材料,这限制了它的应用。

    PBS具有良好的热稳定性,熔点较低,延展性好,这使其适用于FDM3D打印。但是,关于使用3D打印丝材的研究还不多。

    研究人员解释说:“低熔体强度导致挤出时难以连续形成单丝的原因之一,这使得打印失败了一半。此外,冷却过程中相对较大的体积收缩引起的变形可能在结晶后发生,从而导致产品缺陷。因此,PBS的改性对于上述缺点和对该材料适用于FDM打印来说是非常必要的。”

    通过共混材料,可以将这两种组分的优点结合起来,这就是为什么这种改性方法经常用于聚合物材料的原因。关于PBS共混物在FDM3D打印中的应用研究甚少,因此清华研究团队也在加大力度。

    研究人员写道:“研究了共混物的流变性、热学和机械性能,并用这些丝材打印了不同的样品,以评估它们对FDM系统的适用性。还测定了打印产品中的层间粘合强度。此外,我们期望找到材料性能与FDM打印性能之间的关系,以便为判断热塑性聚合物材料(不限于聚合物共混物)是否适合FDM打印提供参考。”

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    垂直打印的PBS40/PLA60样品用于测试层间粘合强度

    该团队首先在真空烘箱中将PBS和PLA颗粒在65℃下干燥12小时,然后将混合颗粒挤出成丝材用于FDM3D打印。除了一些其他形状,如兔子,还打印了长方体模型以显示变形,这可能是FDM中需要克服的障碍。

    测量了聚合物共混熔体的剪切粘度以及热性能,如玻璃化转变温度。除了对这些棒进行热分析,以“研究FDM打印工艺对PBS/PLA共混物结晶行为的影响”之外,研究人员还注射成型聚合物共混物颗粒,制成哑铃形和长方体棒用于拉伸和冲击试验。

    研究人员解释说:“所有共混物都显示出优异的加工性能,可通过单螺杆挤出机挤出成直径为1.75毫米的单丝。随着PBS含量的增加,共混物的断裂伸长率和冲击强度出现。然而,由于共混物中结晶度较高,导致较大的体积收缩,打印棒的变形增加。此外,由于熔体粘度降低,层间粘合强度提高。当共混物中的PLA含量不低于40wt%时,FDM打印在室温下也不能观察到变形,也不能脱离平台,可以顺利进行。”

    该论文指出PBS60/PLA40和PBS40/PLA60在层间粘合强度、材料韧性和变形方面是用于FDM3D打印的“最佳共混组合物”。

    研究人员总结道:“珍珠般的光泽、良好的机械性能以及良好的尺寸精度,生物基PBS/PLA是生产FDM丝材的新型材料,适用于许多领域,特别是建筑设计。此外,我们研究还将为评估热塑性聚合物材料是否适合FDM打印提供参考。”

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