什么是3D打印熱塑性聚氨酯的拉伸各向異性？

2022年11月19日，南極熊獲悉，已發(fā)表在《增材制造》上的一篇論文中，研究人員探索了基于聚合物熔體擠出的3D打印(ME3DP)工藝和新沉積的熱塑性聚氨酯(TPU)所涉及的溫度降低，以及與界面開發(fā)相關的機械依賴性。

△該研究已發(fā)表在sciencedirect，題目為“深入了解3D打印熱塑性聚氨酯的拉伸各向異性”（傳送門）

技術背景
ME3DP工藝具有使用簡單、成本低且適用于各種聚合物的材料的特點。機械各向異性通常是因為3D空間中的光柵結構不均勻而引起的，這種物品的失敗最初是在界面區(qū)域發(fā)現(xiàn)的。因此，觀察到3D打印物體的整體機械性能，主要由界面層的粘合強度和孔隙率決定。

此外，新沉積的熔體所觀察到的溫度和重新超過臨界溫度（Tg）所需的時間，決定了整個粘合層中分子鏈的擴散和糾纏程度。TPU和其他無定形彈性體的Tg通常小于零，僅通過環(huán)境冷卻是無法達到的。因此，目前還不清楚擴散動力學必須在什么溫度下結束。矯形器、低溫隔離器、減震器和其它產品的生產，有可能用3D打印的TPU來促進。然而，需要進行徹底的研究，以了解3D打印的TPU所表現(xiàn)出的過程-結構-性能。

△liquid additive manufacturing (LAM) 液態(tài)3D打印技術，用聚氨酯作為材料，實現(xiàn)了將組件打印到紡織品上

關于研究
在本研究中，由聚酯基化合物組成的商業(yè)TPU長絲是用丁烷-1,4-二醇和亞甲基二苯基二異氰酸酯生產的。當擠出的熔融股料沉積時，噴嘴溫度設定為245°C。自行編輯的G代碼控制著噴嘴的軌跡。然后，打印片被切割成拉伸條。使用通用測試設備檢查CM和3D打印樣品的拉伸特性。使用稱為極限拉伸強度(UTS)的指標評估打印材料的機械強度。

掃描電子顯微鏡(SEM)用于分析打印樣品的橫截面形態(tài)。該團隊在偏光顯微鏡下檢查了打印件的結晶形態(tài)。為了記錄觀察到的沉積熔體的變化瞬態(tài)溫度，使用了Tools+程序。利用差示掃描量熱法分析TPU的熱力學行為。在室溫下，廣角X射線衍射(WAXD)證實了打印樣品的微觀結構。

過程觀察
紅外攝像機測量了噴嘴出口周圍 223°C 的初始熔體溫度。模擬結果類似于先前估計的溫度衰減的行為。在此過程中，根據(jù)傳導熱傳遞，襯底層同時被加熱到幾乎120°C。同時，由于輻射和對流傳熱，觀察到的新沉積熔體的溫度迅速下降。由于熔體溫度的緩和降低率，可以預測，由大直徑噴嘴產生的沉積熔體線，可能證明有利于產生更發(fā)達的界面層。多線堆積結構的數(shù)值模擬表明，與新沉積線接觸的熔體線顯示出最大的愈合。

相比之下， 在電加熱的較高床溫(Tb)下生產的樣品具有光滑的表面。冷卻并完成打印過程后，樣品保持其預期形狀。在Tb達到160°C之前，研究結果顯示出機械各向異性。隨著Tb升高，橫向斷裂拉伸應變增加。然而，縱向拉伸測試的斷裂應變保持穩(wěn)定。由一對不平行于載荷方向熔線產生的界面，是觀察到拉伸各向異性的主要原因。

該團隊指出，提高Tb可以顯著降低打印樣品的孔隙率。相反，較高的Tb會促進軟鏈段結晶動力學并產生許多微晶，從而導致更顯著的相分離。當給出足夠的結晶時間時，可以推斷在 Tb = 100-140°C 下打印的樣品所表現(xiàn)出的屈服應力顯著升高，包括橫向和縱向屈服應力，應該是由于這種結晶行為。因此，有助于改善拉伸特性和拉伸各向同性的兩個主要因素是結晶動力學的增強和孔隙率的高度降低。

研究結論
總之，工程應用可以利用目前的技術，將3D打印的物品轉化為一步到位的制造過程。根據(jù)模擬結果，熔體的熱量只影響緊鄰它的層，而對更遠的層影響不大。當Tb從25℃上升到160℃時，拉伸特性從各向異性轉變?yōu)楦飨蛲�性�?br />
與沉積的熔融長絲表面的分子鏈相關的弱取向度，可以通過在長停留時間下提高Tb來消除�？偟膩碚f，這項工作提供了一種打印高強度部件的簡單方法，同時突出了打印TPU的機械各向異性。根據(jù)作者的說法，未來可以開發(fā)出具有環(huán)境熱源和獨立冷卻系統(tǒng)的打印機。這將有助于超越目前ME3DP技術的局限性和缺陷。