大型工业级3D打印用聚乳酸复合材料的研究与应用.pdf
- 文档编号:14657439
- 上传时间:2023-06-25
- 格式:PDF
- 页数:5
- 大小:1.10MB
大型工业级3D打印用聚乳酸复合材料的研究与应用.pdf
《大型工业级3D打印用聚乳酸复合材料的研究与应用.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《大型工业级3D打印用聚乳酸复合材料的研究与应用.pdf(5页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
312017年第4期大型工业级3D打印用聚乳酸复合材料的研究与应用万晓慧,李天才(宁夏共享模具有限公司,宁夏银川750021)摘要:
根据大型工业级3D打印用聚乳酸复合材料的性能要求,选择了合适的聚乳酸、无机填料、聚合物弹性体、增塑剂及其他添加剂,分析了几个重要的改性条件对聚乳酸复合材料工艺性能的影响,得出了最佳的改性工艺及原材料配比。
实践表明,所研制的大型工业级3D打印用聚乳酸复合材料性能优异,环保无毒、打印流畅,打印件表面光洁,尺寸稳定,不易收缩,很好地解决了打印件的翘曲、开裂、黏结性差等缺陷。
关键词:
3D打印;聚乳酸;复合材料;聚合物弹性体;增塑剂中图分类号:
TG22文献标识码:
A文章编号:
1673-3320(2017)04-0031-04ResearchandApplicationofPolylacticAcidCompositeMaterialforLarge-scaleIndustrial3DPrintingWANXiaohui,LITiancai(NingxiaKocelPatternCo.Ltd.,Yinchuan750021,NingxiaChina)Abstract:
Inthelightoftheperformancerequirementsforapolylacticacidcompositematerialforlarge-scalecommercial3Dprinting,theoptimummodificationprocessandmixtureratioofrawmaterialsforthepolylacticacidcompositematerialweredevelopedbyselectionofsuitableadditivessuchaspolylacticacid,inorganicfilter,polymerelastomer,plasticizerandsoon,andbyanalysisontheeffectofseveralimportantmodificationconditionsonprocesspropertyofthepolylacticacidcompositematerial.Ithasbeenprovedbypracticethatthedevelopedpolylacticacidcompositematerialusedforlarge-scalecommercial3Dprintinghasexcellentproperties,isenvironmentallyfriendlyandabletoprintsmoothly,andthatprintedpiecehassmoothsurfaceandstablesize,andisnoteasytoshrink,thusremovingdefectsoftheprintedpiece,suchaswarpage,cracking,pooradhesion,etc.Keywords:
3Dprinting;polylacticacid;compositematerial;polymerelastomer;plasticizer聚乳酸(PLA)及其共聚物是一种具有优良的生物相容性和可生物降解性的合成高分子材料,具有无毒、无刺激性、可塑性强、易加工成型、易被自然界中的多种微生物或动植物体内的酶分解代替,最终形成水和二氧化碳,不污染环境等特点,因而被认为是最有前途的生物可降解高分子材料,被材料学界定为新世纪最有发展前途的新型材料1-3。
聚乳酸(PLA)及其共聚物非常适合做FDM3D打印机的耗材,不仅能满足3D打印耗材的高机械强度、低收缩率及适合熔融温度等要求,而且更能满足安全、无毒及无刺激性等环保要求4-6。
但是,聚乳酸由于自身存在一些缺陷,从而影响了其加工性能和广泛应用,因此有必要对PLA进行改性7-10。
目前,市场销售的PLA改性材料基本上都是用于桌面级3D打印机的线状材料,很少有粒状的大型工业级用的PLA改性材料。
而且,目前这些改性材料打印出来的产品都有诸多弊端,比如,翘曲、开裂、黏结性差及后期变形等。
收稿日期:
2017-04-17作者简介:
万晓慧(1985-),女,汉族,助理工程师,主要从事3D打印及智能制造研究。
材料与工艺万方数据322017年第4期铸造工程FoundryEngineering本文通过选择合理的物料配比,采用熔融、共混及挤出的方法,在PLA中添加增塑剂、无机填料、增韧剂、聚合物弹性体及其他辅助材料制备3D打印用聚乳酸复合材料,以提高其强度、韧性、黏结性、耐热性、柔性和弹性冲击性等,使其满足大型工业级用的3D打印聚乳酸复合材料的使用要求。
1主要原材料的选择1.1PLA型号的选择目前,国内还没有工业化生产和销售的PLA,只是有少数的几个公司在计划建设PLA生产线。
NatureWorks公司是迄今为止世界上生产能力最大的聚乳酸生产基地。
开发了挤出级、片材级、注塑级、耐热级、薄膜级和纤维级等几十种不同型号的PLA,不同型号的PLA有不同的用途。
PLA是改性材料里面最主要的成分,如果PLA的型号没有选择正确,无法根本解决PLA改性材料在使用过程中产生的各种缺陷。
本文选用NatureWorks公司生产的4032D、3052D两种牌号,不仅因为NatureWorks公司开发和规模化生产的PLA产品质量可靠、性能稳定、光泽性及透明性好,而且加工温度范围稳定。
1.2无机填料的选择PLA与无机填料共混,可以有效地改善PLA的结晶速率和结晶度,不仅可以提高PLA的强度、刚性和耐热性,同时还可以提高PLA的韧性,实现增韧增刚同时进行,而且有助于改善加工流变性。
另外,无机填料增韧改性技术可以从廉价的原材料得到成本较低、成型加工性好的高性能改性材料。
如果无机填料的选择不当,会对最终制品的力学性能和外观易产生不良影响。
本文选用滑石粉作为无机填料。
滑石粉作为一种最常用的无机层状硅酸盐化合物填料,不仅价格低廉,对环境无害,不会造成环境污染,而且可以降低PLA改性材料的成本,是最早应用于PLA改性的无机填料。
1.3聚合物弹性体的选择在PLA材料的改性过程中加入聚合物弹性体,不仅可以增加PLA的韧性,改善抗冲击性能,减少产品的易翘、易裂的状况,而且还可以增加PLA与其他物料的相容性。
本文采用的聚合物弹性体包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物EVA、乙烯丙烯酸共聚物EAA、苯乙烯类热塑性弹性体TPS、聚氨酯类热塑性弹性体TPU、烯烃类热塑性弹性体TPO及聚碳酸酯弹性体中的一种或两种形成的混合物。
1.4增塑剂的选择PLA是一种具有较高玻璃化转变温度(T60)和非常低的断裂伸长率(10)的脆性聚合物。
增塑用来降低其玻璃化转变温度,改善加工性能和韧性。
增塑效果受增塑剂的相对分子质量、极性和端基影响。
通常PLA采用的低相对分子质量的增塑剂有乳酸、甘油、柠檬酸酯、乳酸乙酯、丙交酯、丁酸甘油酯和柠檬酸甘油酯等。
但随着时间的推移,低相对分子质量增塑剂向聚乳酸表面迁移,造成PLA的性能的劣化,而相对较高相对分子质量的增塑剂向表面迁移趋势减小。
因此,采用相对高相对分子质量的增塑剂增韧的聚乳酸性能更稳定。
通过前期的大量试验,发现甘油不仅具有较好的增塑效果,而且甘油的增塑效率也较高。
本文采用甘油作为增塑剂,即增加了PLA聚合物的可塑性和流动性,改善加工性,又使制品具有柔韧性。
1.5其他助剂的选择其他助剂包括增韧剂、偶联剂、抗氧化剂、抗水解剂、相容剂及润滑剂中的一种或多种。
根据使用的目的和打印的产品规格、型号的不同,可以选择性地加入不同的助剂,以改善复合材料的工艺性能和使用性能。
2反应条件对PLA改性材料性能的影响2.1物料的干燥时间对PLA改性材料性能的影响物料必须经过合适的处理才能保证PLA改性材料的性能,纯PLA树脂在使用前水份必须小于200ppm,才更有利于提高树脂的加工性能和品质。
如果PLA树脂水分含量过高,在使用过程中可能会出现材料流动性变大、加工出的制品变脆、收缩及表面出现白纹等现象。
本文在前期试验基础上,主要考察物料的干燥时间对PLA改性材料性能的影响,干燥时间对PLA改性材料性能万方数据332017年第4期的影响见表1。
表1干燥时间对PLA改性材料性能的影响工艺条件材料性能干燥时间流动性韧性收缩性干燥2h强差大干燥4h适中好小干燥6h适中好小干燥8h差较好小从表1的数据可以看出,物料的干燥时间对PLA改性材料性能的影响较大,本试验经过多次试验对比,最终确定了物料的干燥时间为46h,使其物料充分干燥。
2.2无机填料的表面处理对PLA改性材料性能的影响为了使PLA改性材料拥有良好的机械加工性能,无机填料不仅要颗粒均匀,而且要均匀地分散在作为载体的PLA材料中,还要与PLA、增韧改性剂等材料之间要有较好相容性,具有一定的界面黏附强度;为了提高填料与增韧改性剂的相容性,并均匀分散在聚合物基体中,无机填料必须经过表面处理。
偶硅烷偶联剂被用来处理无机填料表面,以改善无机填料粒子与聚合物基体的界面粘结状况。
本试验在前面大量的实验基础上,通过选用硅烷偶联剂KH-560及不同的加入量,改善了PLA改性材料的的性能,偶联剂的加入量对PLA改性材料性能的影响见表2。
表2偶联剂的加入量对PLA改性材料性能的影响工艺条件材料性能KH-560加入量流动性韧性收缩性0强很差差1%适中差高3%适中好较高5%差较好很高由表2的数据可知,当不加入硅烷偶联剂时改性材料的流动强,而且韧性、收缩性也非常差,不能用于打印;当硅烷偶联剂加入量不同时,材料性能也大不一样,通过多次对比试验,最终确定硅烷偶联剂KH-560的加入量为3%(占聚乳酸的含量)。
2.3无机填料加入量对PLA改性材料性能的影响无机填料的加入量对改性材料性能的影响也至关重要,加入量太高,容易破坏改性材料的韧性和流动性,易在基休中形成缺陷。
加入量过低,起不到提高体系的强度、硬度和刚性的效果。
合适的加入量,不仅可以提高体系的硬度和刚性,同时也能产生增韧效果。
滑石粉的加入量对PLA改性材料性能的影响见表3。
表3滑石粉的加入量对PLA改性材料性能的影响工艺条件材料性能滑石粉加入量韧性强度硬度刚性10%很好高高高30%好较高较高较高50%差较高较高很高由表3的数据可知,当滑石粉的加入量不同时,材料性能也大不一样,通过多次对比试验,根据上面的分析和各因素对材料性能的影响结果,在保证材料韧性、强度、硬度和刚性较佳的情况下,兼顾材料的成本及其他性能,综合考虑性能指标,最终确定滑石粉的加入量为30%左右。
3改性工艺
(1)原材料干燥将聚乳酸、聚合物弹性体及滑石粉等在80100下,干燥46h,备用。
(2)无机填料的表面处理将KH-560/乙醇/水按质量比20/72/8配成溶液,然后将其按滑石粉质量一定百分比喷入烘干的滑石粉中,在预热至100110的高速混合机中搅拌2030min,使KH-560充分包覆滑石粉,再经烘干制得改性滑石粉,备用。
(3)共混将所有材料按工艺比例加入高速混合搅拌机中,搅拌均匀。
(4)成型将上述搅拌均匀的混合物加入同向旋转混炼双螺杆挤出机中混炼挤出,挤出温度为165200;螺杆转速为80200rpm,喂料速度为515rpm。
挤出物料依次经拉条、冷却、吹干期造粒工序,制成PLA改性材料。
通常直径为1.75mm或3.00mm两种。
4聚乳酸复合材料的改性工艺配方为了获得优良的综合工艺性能,本文采大型工业级3D打印用聚乳酸复合材料的研究与应用万晓慧等万方数据342017年第4期铸造工程FoundryEngineering用单因素试验、正交试验法,对数十种配方的试验材料进行性能测试对比和上机打印试验,再用数学方法进行配方优化。
经生产试用和不断改进后,优选出3D打印用聚乳酸复合材料的最佳配比范围,3D打印用聚乳酸复合材料的改性工艺配方见表4。
表43D打印用聚乳酸复合材料的改性工艺配方组成配比组成配比聚乳酸100增塑剂0.52.0无机填料1535润滑剂0.10.5聚合物弹性体3.015增韧剂3.010.0偶联剂0.5-2其他助剂3.05.05工艺性能及应用效果5.1工艺性能在实验室样品试制的基础上,进行了1t的聚乳酸改性材料的工艺生产验证,并在FDM3D打印机上进行了使用,其韧性、硬度、拉伸强度及冲击强度性能优异,而且黏结性、防翘边性及后续加工性能优异。
打印过程中产品匀称,尺寸稳定,不易收缩,很好地解决了打印产品的翘曲、开裂、黏结性差等缺陷,非常适用于大型工业级FDM3D打印机使用。
大型工业级3D打印用聚乳酸复合材料的工艺性能指标见表5。
表5大型工业级3D打印用聚乳酸复合材料的工艺性能指标项目单位性能指标外观-白色或淡黄色柱状颗粒颗粒直径mm3密度g/cm31.350.05熔融指数g/10min(190,2.16Kg)1015玻璃化温度6065熔点182185最高耐热温度130140断裂伸长率%6拉伸强度MPa75拉伸模量GPa3.56.0冲击强度KJ/m2185.2应用效果新研制的产品在不同大小、不同形状及不同规格的产品上进行了使用,打印流畅,无气味、无污染,安全系数高,打印成品表面光洁,外观漂亮,尺寸稳定,不易收缩。
打印产品效果见图1至图3。
图1粒度均匀、色泽较好图2线条清晰,色泽光亮,无翘边,无开裂图3加工效果表面光洁、平滑6结论
(1)该产品环保,无毒、无气味及无污染。
(2)该产品打印流畅,打印成品表面光洁,外观漂亮,尺寸稳定,不易收缩,,解决了打印产品的翘曲、开裂及黏结性差等缺陷。
(3)该产品的PLA废料可完全回收再生利用,降低生产成本,提高了资源利用率。
参考文献:
1ROBERTSONML,CHANGKH,GRAMLICHWM,etal.TougheningofpolylactidewithpolymerizedsoybeanoilJ.Macromolecules.2010,43(4):
1807-1814.2LIUH,CHENF,LIUB,eta1.Supertoughenedpoly万方数据352017年第4期牵引杆座铸造工艺分析李剑波(中车大连机车车辆有限公司,辽宁大连116021)摘要:
采用铸造模拟软件MAGMA对铸钢牵引杆座的原先的和新近的铸造工艺进行了模拟比较。
分析了牵引杆座铸件在铸造过程中产生缩孔缩松缺陷的部位。
针对原铸造工艺无法实现充分补缩的缺点,改进了牵引杆座的铸造工艺。
结果,解决了由于缩松缺陷导致牵引杆座不致密的质量的问题。
关键词:
MAGMA软件;铸造工艺;模拟;优化中图分类号:
TP319文献标识码:
A文章编号:
1673-3320(2017)04-0035-03AnalysisonCastingProcessforTractionLinkSeatLIJianbo(CRRCDalianCo.,Ltd.,Dalian116021,liaoningChina)Abstract:
ThepreviousandrecentcastingprocessesforatractionlinkseatmadeofcastingsteelwerecomparedbyusingacastsoftwareMagma.Thelocationsinthetractionlinkseatcastings,wherebothshrinkagecavityandshrinkageporositywillproduceduringthefounding,wereanalyzed.Inthelightofdisadvantagethatsufficientfeedingcannotbereachedbythepreviouscastingprocess,thecastingprocessforthetractionlinkseatwasimproved,and,asaresult,thequalityproblemthatunsoundtractionlinkseatisproduceduetoshrinkageporosityhasbeenremoved.Keywords:
Magmasoftware;castingprocess;simulation;optimization收稿日期:
2017-06-12作者简介:
李剑波(1982-),男,助理工程师,工艺师,主要从事铸造工艺技术及质量管理工作。
材料与工艺(1acticacid)ternaryblendsbysimultaneousdynamicvulcanizationandinterfacialcompatibilizati0nJ.Macromol-ecules,2010,43(14):
6058-6066.3LIUH,SONGW,CHENF,eta1.Interactionofmicro-structureandinterfacialadhesiononimpactperformanceofpolylactide(PLA)ternaryblendsJ.Macromolecules,2011,44:
1513-1522.4LJUNGBERGN,WESSLINB.Theeffectsofplasticizersonthedynamicmechanicalandthermalpropertiesofpoly(1acticacid)J.JApplPolymSci,2002,86(5):
1227-1234.5LJUNGBERGN,WESSL-NB.Tributylcitrateoligomersasplasticizersforpoly(1acticacid):
ThermomechanicalilmfpropertiesandagingJ.Polymer,2003,44(25);7679-7688.6MARTINO.Poly(1acticacid):
Plasticizationandproper-tiesofbiodegradablemuhiphasesystemsJ.Polymer,2001,42(14):
6209-6219.7THERYO,JINGF,PITERLM,etal.ToughpolylactidegraftcopolymerJ.Macromolecules,2010,43(18):
7394-7397.8HASSOUNAF,RAQUEZJ,ADDIEGOF,eta1.Newapproachonthedevelopmentofplasticizedpolylactide(PLA):
Graftingofpoly(ethyleneglyco1)(PEG)VlareactiveextrusionJ.EurPolymJ,2011,47(11):
2134-2144.9HASSOUNAF,RAQUEZJ,ADDIEGOF,eta1.Newdevelopmentonplasticizedpoly(1actide):
Chemical-ingofcitrateonPLAbyreactiveextrusionJ.EurPolymJ,2012,48
(2):
404-415.10LJUNGBERGN,COLOMBINID,WESSLENB.Plastici-zationofpoly(1acticacid)witholigomeriemalonateester-amides:
DynamicmechanicalandthermalilmfpropertiesJ.JApplPolymSci,2005,96(4):
992-1002.万方数据
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 大型 工业 打印 乳酸 复合材料 研究 应用