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          熱固性與熱塑性增材制造技術差別及發展歷程

          放大字體  縮小字體 發布日期:2022-11-21  來源:中國復材  瀏覽次數:438
          核心提示:過去十年,3D打印利用其可打印聚合物獲得了支持并得到大力發展。本文將聚焦增材制造的關鍵進展,以及使用熱塑性和熱固性增材制造
               過去十年,3D打印利用其可打印聚合物獲得了支持并得到大力發展。本文將聚焦增材制造的關鍵進展,以及使用熱塑性和熱固性增材制造技術制作模具的之間的差異。
              增材制造技術發展歷程中最重要的進展之一就是根據橡樹嶺國家實驗室(ORNL)和辛辛那提公司(CI)之間的合作研究與開發協議(CRADA),于2014年引入大幅面3D打印。雙方的共同努力促成了CI公司BAAM™打印機的商業開發,該打印機采用高通量擠壓工藝,可以通過精確的增材制造工藝熔化和沉積多磅熱塑性塑料珠。該打印機使用了一個8英尺寬,20英尺長的可移動打印床,比當時任何聚合物打印機都要大得多。
              2017年,Magnum Venus Products (MVP)推出了被稱為反應性增材制造(RAM)的3D打印機生產線。RAM打印機與其他大畫幅打印機的不同之處在于,它們使用液態、熱固性材料,這些材料被泵送并與有機過氧化物結合,沉積在連續的層中。
           
              早期的開發工作是根據ORNL公司的MDF 聯合開發協議完成,用于RAM打印機和Polynt復合材料開發。ORNL的大部分RAM工作主要集中在使用Polynt反應沉積(PRD)打印介質,這是一種粘性的類似牙膏的液體,含有乙烯酯樹脂。PRD打印介質在室溫下激活并在沉積后15至30分鐘內固化。與替代熱塑性材料相比,可泵送PRD材料更易于加工并且制造時需要的能源要少得多。
              熱固性增材制造(TSAM)的開發工作目前由ORNL、密西西比州立大學、MVP和Polynt共同承擔。TSAM的一個關鍵特點是,可泵送液體在固化周期中與先前的珠子和基材表面發生化學反應。這種層間的化學反應是TSAM相對于熱塑性塑料的主要優勢之一。熱塑性塑料沒有化學鍵合,只是通過熔合進行機械連接。
          在熱塑性塑料中,要將新珠熔化成先前沉積的珠,時間是至關重要的。未能將兩個珠子熔化在一起將導致珠與珠之間的粘附問題,并可能產生空隙,導致視覺外觀缺陷,粘合層故障和真空完整性的喪失,特別是在構建用于制造零件的工具時。熱塑性塑料沉積的另一個問題是各向異性,當纖維增強材料在固體介質中擠出時會發生這種情況。
              碳纖維通常用于控制3D打印熱塑性塑料在冷卻和收縮時的翹曲。但是,當纖維在固體介質(比如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚醚砜(PESU)和聚醚醚酮(PEEK)中被擠壓時,它們會沿打印方向排列。在比較熱塑性印刷介質的面內(X-Y方向)性能與面外(z方向)性能時,通常會看到碳纖維增強熱塑性塑料的機械性能下降60%到80%,這是由纖維排列造成的。z向強度沒有纖維橋接熔化的熱塑性塑料與熱塑性塑料珠。
              對于熱固性塑料,珠子不會融化在一起。它們以粘性液體的形式沉積在一起,同時也發生化學反應。這大大提高了層間結合強度和力學性能。熱固性介質是粘性液體而不是熔融固體,允許纖維運動的程度更大,導致在固化部件內的隨機定向。與前面描述的熱塑性各向異性相比,這導致熱固性塑料具有更多各向同性的機械性能。熱固性打印介質具有反應性鍵合位點,這導致層與層之間的鍵合強度更強,使打印更具各向同性。
              可泵送液體打印介質(如PRD)的具體優勢包括,通過RAM打印機上稱之為“”的獨特功能,可以啟動和停止打印包含的項目,如金屬嵌件、增強材料、芯材和冷卻/加熱管線。此外,熱固性材料可以同時打印多個部分,可以使用相同的打印介質將這些部分“粘合”在一起,類似于今天許多復合材料在部分或層壓板層中構建的方式,以最大限度地提高性能特性,例如強度和剛度。支撐結構通??赏ㄟ^以90度懸垂打印出平面外的項目來消除。
              使用熱固性印刷介質的增材制造繼續取得進展。到目前為止,大部分工作都圍繞著工具展開,特別是模具制造和固定裝置。零件生產可能需要結合連續纖維以提高強度,并需要機器人3D打印機來沉積纖維。目前的發展集中在更高的耐熱材料,導熱材料和極低的線性熱膨脹系數(CLTE)材料,特別是用于模具制造的應用。
           
           
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