3D打印用ABS的三大得力助手

  3D打印，又稱(chēng)增材制造，是目前新興的一種材料快速成型技術(shù)。熔融沉積成型(FDM)是3D打印技術(shù)中比較重要的一種技術(shù)，其可將高分子材料絲材選擇性地涂敷在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成一層截面，一層成型完成后，機(jī)器工作臺(tái)下降一個(gè)高度再涂覆下一層，直至形成整個(gè)三維造型。

  丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)是FDM第二大應(yīng)用量的耗材，它具有較高的強(qiáng)韌結(jié)合性，在模型設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但其具有較高的收縮率及內(nèi)應(yīng)力，會(huì)在打印過(guò)程中導(dǎo)致打印制品發(fā)生翹曲變形甚至開(kāi)裂，并且ABS的耐熱性不高，又限制了其在較高溫度環(huán)境下使用。

  為改善ABS的3D打印性能，采用三大助手[硅烷偶聯(lián)劑改性空心玻璃微珠(HGB)、聚碳酸酯(PC)、相容劑馬來(lái)酸酐接枝ABS]助力ABS，以HGB為主要填料，輔助以PC和ABS-g-MAH，對(duì)ABS進(jìn)行了改性。

  三大助手助力ABS的常規(guī)性能：

  第一助手：HGB

  HGB具有中空、質(zhì)輕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，它可作為無(wú)機(jī)填料用于塑料改性，能夠顯著降低塑料成本，還可改善塑料的加工流動(dòng)性能，提高強(qiáng)度和剛性，降低收縮率。以硅烷偶聯(lián)劑改性的HGB為主要填料，用其降低ABS的密度并提高流動(dòng)性能，同時(shí)改善ABS的其它性能。

  （1）密度和熔體流動(dòng)速率(MFR)

  （2）拉伸強(qiáng)度與彎曲彈性模量

  （3）收縮率及熱變形溫度

  可以看出，硅烷偶聯(lián)劑改性的HGB可以降低ABS的密度和收縮率并使MFR和熱變形溫度提高，當(dāng)HGB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，ABS的拉伸強(qiáng)度及彎曲彈性模量均達(dá)到最大。

  第二助手：PC

  PC含有剛性分子鏈，具有較高的剛性和更高的熱變形溫度，為此，在硅烷偶聯(lián)劑改性HGB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的基礎(chǔ)上，添加PC對(duì)ABS進(jìn)行進(jìn)一步改性，主要考察PC對(duì)ABS／HGB復(fù)合材料力學(xué)性能、熱變形溫度及模塑收縮率的影響。

  （1）拉伸強(qiáng)度與彎曲彈性模量

  （2）收縮率及熱變形溫度

  可以看出，隨著PC質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0%增加到20%，復(fù)合材料的彎曲彈性模量、拉伸強(qiáng)度和熱變形溫度提升顯著，但收縮率也有較大增加，因此在保證制品性能的基礎(chǔ)上，不能大幅度增加PC的含量，可將PC質(zhì)量分?jǐn)?shù)定為5%，此時(shí)復(fù)合材料的彎曲彈性模量和拉伸強(qiáng)度分別達(dá)到1780，47.1MPa，熱變形溫度達(dá)到90℃，模塑收縮率處在可接受的水平，為0.8%。

  第三助手：ABS-g-MAH

  ABS-g-MAH中含有活性較強(qiáng)的酸酐基團(tuán)，能在高溫及剪切作用下與PC發(fā)生接枝共聚反應(yīng)，并且ABS-g-MAH能夠與HGB中的羥基形成鍵合作用，這樣可使各組分能更好地相容，也使得復(fù)合材料內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加完善。在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%硅烷偶聯(lián)劑改性HGB及5%PC的基礎(chǔ)上，向ABS中添加ABS-g-MAH，考察其對(duì)ABS／PC／HGB復(fù)合材料力學(xué)性能、熱變形溫度和模塑收縮率的影響。

  （1）拉伸強(qiáng)度與彎曲彈性模量

  （2）收縮率及熱變形溫度

  可以看出，隨著相容劑ABS-g-MAH含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲彈性模量總體上有所提升，熱變形溫度有較大提高，而收縮率下降程度較顯著。當(dāng)相容劑ABS-g-MAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%后，復(fù)合材料的綜合性能變化不再明顯，因而確定ABS-g-MAH適宜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。

  三大助手助力ABS的3D打印情況：

  （1）性能

  可以看出，三大助手助力后ABS打印試樣的拉伸強(qiáng)度、彎曲彈性模量及熱變形溫度均有較大提高，較未助力前的打印試樣分別提高了20.9%，18%，4.8%，收縮率由1%下降至0.6%，更利于FDM打印工藝。

  （2）制品

  圖中左邊較大的佛像為三大助手助力后ABS線材打印的佛像，其長(zhǎng)度為205mm，寬度為190mm，高度為267mm，尺寸符合精度要求，表面無(wú)開(kāi)裂。

  圖中右邊較小的佛像為助力前ABS線材打印的佛像，其長(zhǎng)度為97mm，寬度為90mm，高度為121mm，其表面有開(kāi)裂現(xiàn)象，并且如果放大尺寸，則在打印過(guò)程中底部嚴(yán)重翹曲，無(wú)法成型。

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