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工艺优化与力学性能提升的协同之道

更新时间: 2024-11-27 16:03:04  查看次数: 1    
纯热塑性塑料导热性不好,所以打印平台温度对它的影响比较小。但是碳纤维导热性强,在 FDM 打印的时候,可以把打印平台温度当作调节结晶度的重要因素,这就能解释为什么 CF/PA6 的拉伸强度和弹性模量会变好。所以,打印平台温度能有效提升力学性能,而纯热塑性塑料更多地依赖 FDM 打印机的环境温度。
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当打印平台温度升高(到 80°C 和 105°C)时,空隙率会降低,这意味着打印样品中间层之间的连接更紧密了。虽然 FDM 工艺经常会在沉积的熔珠之间产生裂缝或空隙,但打印平台温度在改善连接方面很关键。而且,有 CF 在就能保证良好的导热性,样品底面一直能被加热,这样就能消除 z 方向连接不好以及 x - y 平面里相邻的空隙。比 PA6 玻璃化转变温度高的打印平台温度,能给分子链重新排列和结晶提供更多能量。另外,CF 的加入让样品更硬、尺寸更稳定。所以后面喷嘴喷出的熔珠能稳定地沉积在已经固化的表面上,避免在界面形成空隙。
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还有,研究熔珠之间扩散或结合区域的微裂纹也很重要,因为这些微裂纹可能会让打印部件在使用过程中过早损坏。当处理温度是 100℃时,PA6 样品外观没什么明显变化,是乳白色的。后处理温度升高后,拉伸样条表面慢慢变黄,颜色越来越深。这是因为后处理温度超过 130℃后,PA6 大分子因为高温断键分解,变得比较活跃,和氧气接触后就会老化,形成有颜色的氧化物,就变黄了,而 CF/PA6 材料里黑色的 CF 把 PA6 基体的老化情况盖住了。
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1 小时 100℃的高温后处理对 FDM 打印 PA6 材料有一点提升作用(从 60.57 到 68.51MPa),后处理温度超过 130℃后,拉伸强度在 41.09MPa 到 62.57MPa 之间变化,杨氏模量也没明显变化,说明高温后处理导致的老化让 PA6 材料力学性能不稳定了。后处理温度到 190℃时,PA6 材料的拉伸强度和杨氏模量变得很差,颜色也最深,这是因为 PA6 基体在这个温度下发生高温热氧老化,内部分子链结构被破坏,力学性能就受损了。所以 130℃以上的高温热处理对尼龙 6 的 FDM 打印成型没好处。
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1 小时 100℃的高温后处理对 FDM 打印 CF/PA6 材料几乎没提升作用(从 115.12 到 119.72MPa),后处理温度升到 130℃时,样条拉伸强度提高了(124.54MPa),杨氏模量没怎么变(3.96 到 3.88GPa),说明在这个温度下 CF/PA6 的力学性能有一定增强。热处理温度超过 160℃,CF/PA6 样品拉伸强度大幅下降(92.87MPa),再次证明这个温度下 PA6 材料发生高温热氧化,力学性能下降。
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研究了不同打印轨迹、平台温度和后处理温度对 CF/PA6 材料力学性能的影响,进一步优化了 CF/PA6 复合材料的 FDM 打印加工工艺,还拿 PA6 丝材当打印耗材对比这些工艺参数对它的影响,确定了比较成熟的 CF/PA6 复合材料加工环境,结论如下:
第一,打印角度是 0°时,FDM 打印 CF/PA6 材料的拉伸强度(117.12MPa)和杨氏模量(3.96GPa)最大。这是因为拉伸载荷方向和打印轨迹方向平行时,CF 能充分发挥抗拉的优势,承受更大载荷,所以 0°打印轨迹能让 CF/PA6 材料力学性能最好。
第二,打印平台温度不断升高(最高到 105℃)时,CF/PA6 材料的拉伸强度、杨氏模量和结晶度都明显提高,单搭接样条的单搭接强度也达到最大值(6.47MPa),说明平台温度升高,CF/PA6 材料层间连接越来越好。所以 105℃的打印平台温度对 CF/PA6 加工成型比较好。
第三,后处理温度升到 130℃时,因为 CF 导热性好,样条内部受热均匀,拉伸强度提高了(124.54MPa),后处理温度继续升高到 160℃和 190℃时,CF/PA6 材料拉伸性能下降。所以 130℃以下的后处理温度对 CF/PA6 材料没坏处。

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