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FDM工艺对材料性能要求

更新时间: 2020-01-13 14:01:50  查看次数: 248    
聚合物在共混挤出和FDM成型工艺中经历了熔融、凝固的相变过程,其黏弹性能在上述相变过程中表现出了不同的特性。高分子聚合物的力学行为(黏弹行为)强烈的依赖于温度和外力作用时间。由于聚合物的大分子和长链结构使其在一定温度和作用力的作用下,其形变不可能在瞬时完成。当分子链受外力作用开始到逐步过渡到与外力作用相平衡的状态所经历的过程称为力学松弛过程,而高分子聚合物对外力作用的这种滞后现象被称为“弹性滞后”。这种滞后现象会导致高分子聚合物在挤出成型过程中的离模膨胀效应。FDM成型时,滞后效应的存在会导致制品收缩和变形,当发生不均匀收缩时将会产生过大的内应力,从而导致产品翘曲和开裂。因此,FDM对应用于其成型工艺的材料有以下性能要求:


  • 材料的粘度:适宜的熔融材料粘度,具有较好的加工流动性,有助于材料的顺利挤出成型。如果熔体粘度过高,则需要足够的送丝压力才能使熔融材料从喷头挤出,延长了喷头的起停响应时间,影响成型件精度;熔融材料的粘度过低,熔体强度不足,挤出成型过程中容易产生流延现象,影响成型精度。部分材料如ABS材料等应用于FDM工艺时,由于材料本身具有橡弹性,当其熔融通过FDM加热通道时,当其分子链受热运动缓慢,内应力得不到较快的释放时,从喷头挤出后通常会发生挤出胀大现象,冷却过程中会发生由于热应力作用而导致的收缩现象,从而影响成型精度。当应用于FDM工艺的热塑性材料具有较好的熔融流动性时,在熔融状态下,分子链能够得到较快舒展,使应力得到较快传递和释放,从而减少内应力的积累。
  • 材料的熔融加工温度:在保证材料达到最终成型产品使用所要求的一定的耐热性的情况下,较低的熔融温度,可以使材料在较低的温度下挤出成型,提高了挤出喷头和整个机械设备的使用寿命,减少材料由于较高挤出温度而导致的本身部分小分子的分解挥发,减少有害物质的产生;同时,较低的熔融温度能够减少材料挤出成型前后温度的差异,有利于减少由于冷却收缩而产生的热应力积累,从而提高了材料的成型精度。
  • 材料的力学性能:由于FDM工艺中材料是以稳定丝径(1.5/3.0mm)的方式进料,从而要求进料丝具备一定的拉伸强度、弯曲强度以及韧性,避免料丝在FDM成型过程中出现断丝现象。同时,一定的力学性能是保证成型件具有最终使用用途的前提条件。
  • 材料的粘结性:由于FDM工艺是逐层堆积成型,FDM原型层层之间的粘结性能决定了成型零件的强度。当粘结性太差时,熔融材料成型过程中很容易因为热应力的作用而产生开裂断层的现象。而粘结性的好坏很大程度上决定于分子链的缠绕程度以及在加热情况下分子链运动的难易程度。
  • 材料的收缩率:由于FDM成型过程中熔融材料在挤出到冷却凝固的过程中温度变化较大,成型材料的收缩率不能对温度太敏感,否则易引起零件的翘曲和开裂。而共聚物材料收缩率主要是由熔融材料挤出过程的膨胀、冷却凝固过程的固有收缩以及挤出成型过程中分子发生取向后分子恢复到原有状态时而产生收缩等几方面的作用共同决定的。
  • 材料的模量:熔融材料挤出成型后,较高的模量保证了材料在打印层数较低时就有较好的弯曲模量,从而减少由于热应力过大而产生的翘曲现象的发生。同时挤出材料较高的储能模量保证了材料在熔融挤出后具有足够的缓解抵抗由于冷却收缩而引起的材料各向异性的收缩率的变化。



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