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《Additive Manufacturing》:3D打印高固含量粘性材料的微观结构

《Additive Manufacturing》:3D打印高固含量粘性材料的微观结构

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2023-08-03 17:47
  • 访问量:

【概要描述】

《Additive Manufacturing》:3D打印高固含量粘性材料的微观结构

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2023年7月24日,美国普渡大学机械工程学院Kaitlyn Bower 等研究人员在《Additive Manufacturing》上发表题为Microstructures and failure in 3D printed viscous materials 的研究论文,报道了采用PVC颗粒和粘合剂制备聚合物粘土浆料,通过VAP3D打印工艺制备微拉伸测试样品并测试其机械性能和微观结构。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103710

  研究简介  

使用高固含量的高粘度浆料进行增材制造,能更好地在零件密度高、打印过程中减少坍落度和后处理过程中减少收缩。振动辅助打印(VAP)工艺可以通过精细喷嘴挤出混合物以实现快速3D打印极高粘度的材料。使用粘性糊状材料打印零件的机械性能及其与微观结构特征的关系可能受颗粒体积分数的影响,但这并未被证实。
本研究旨在研究高粘度材料的打印对其形貌和力学行为的影响。采用商用聚合物粘土用于3D打印拉伸测试样品以及参考样品的成型。采用原位扫描电镜(SEM)内外微拉伸仪对其力学性能和断口形貌进行了表征。此外,利用x射线计算机断层扫描技术研究了样品的孔隙度和断裂形态。
打印聚合物粘土的平均强度与模制样品相当,但裂缝位置不同,主要是由切片打印路径产生带来的空隙等。这些部件的轨道间强度似乎与材料的整体强度一样,因为在对界面施加负荷时在45/-45°轨道方向交替的样品内没有明显的分层。同时,优化的打印参数和切片路径可以进一步减少打印样品的微观结构缺陷,使打印和铸造或模压材料之间的机械性能相当。

  研究内容解读  

本文报告了使用由PVC颗粒和粘合剂组成的聚合物粘土通过VAP工艺3D打印的微拉伸测试样品的机械性能和微观结构。该体系在过去被认为是高粘度混合物的替代品。在热固化后,研究人员在扫描电子显微镜(SEM)下进行原位拉伸测试,以研究断裂行为,并与模压制备的样品进行极限拉伸强度比较。测试后的代表性样品也使用光学显微镜、扫描电镜和x射线计算机断层扫描(x射线CT)进行了表征,以确定内部空隙及其与打印特征的关系。

图3 (a-c)以9微米/像素分辨率扫描的打印样品的三维投影,(d)从样品中提取的蓝色框中标记的体积(VOI), (e) VOl上的X-Y平面图像,(f)阈值X-Y平面图像,其中蓝色区域表示材料中的空洞。

图4 拉伸试验后的样品。

图5 拉伸试验结果(a)表观横截面积(b)面积修正值。

图7 其中一个打印的聚合物粘土样品的断裂表面的扫描电镜图像。

图8 裂纹萌生后(a) 5s, (b) 10s, (e) 15s, (d) 20s的SEM视频,比例尺为100μm。

图9 以2.5微米/像素分辨率扫描的打印样品中存在的空洞沿平面。

  研究结论  

使用高固含量的高粘性非均质混合物的增材制造存在一定的挑战性,因为粘合剂的颗粒覆盖率较低,而这可能会影响层和轨道的粘附性。本文研究了在振动辅助打印(VAP)工艺的帮助下,使用商用聚合物粘土制备的3D打印微拉伸样品的破坏形态和机制,并将其与具有相同几何形状的模制样品进行了比较。

结果表明,在对实际横截面积进行校正后,3D打印样品的平均极限抗拉强度(UTS)与模制样品一样高(1.54 vs 1.55 MPa),并且轨道或层之间没有分层的迹象。由于PVC颗粒和粘合剂之间的晶间破坏,两种样品都不能用。
在3D打印样品中,最初的裂缝起源于切割机留下的周长和填充物之间的间隙附近,这增加了局部应力。原位扫描电镜观察到的裂纹位置在这些区域是随机的,与打印过程中留下的任何界面无关。
打印样品的延展性低于模制样品,这是由于固有孔隙的应力集中容易形成裂纹。尽管失效形态一致,但在所有样品的UTS数据中存在高达15%的显著分散。虽然这在3D打印样品中是常见的,但在模制样品中也观察到这一事实,表明所使用的材料存在一定程度的可变性,同时所有的UTS值差异均在标准差范围内。
总体而言,打印部件显示出轨间强度增加与此系统的批量值相当。因此,当仔细选择切片路径以最小化填充与轮廓等特征之间的间隙时,打印部件可具备与传统制造替代品一样坚固的潜力,并同时提高其延展性。
——END——

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图10 奇遇科技自主研发陶瓷浆料

图11 奇遇科技陶瓷3D打印样品

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