熔融增材制造技術打印PLA基聚合物復合材料的力學與幾何性能

供稿人:湯磊 李滌塵
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

熔融長絲制造（Fused Filament Fabrication，簡稱FFF）由于其工藝簡單、成本低廉和材料浪費少而成為一種廣泛應用的增材制造技術。而聚乳酸（Polylactic Acid，簡稱PLA）則是一種具有良好物理性能的生態(tài)友好型生物相容性材料，其在生物醫(yī)學、包裝和紡織等領域具有廣泛的應用，需求量巨大。然而，由于FFF技術制備的純聚合物產品缺乏足夠的強度與精度用于功能部件，因此大部分FFF技術制備的樣品只能用于快速原型應用�？梢酝ㄟ^將顆�；蚶w維作為增強材料添加到聚合物中制造出具有較高機械性能和改進改進功能的復合材料。相較于長纖維增強的聚合物復合材料，短纖維增強的聚合物復合材料雖然在打印方向上的材料力學性能稍遜一籌，但其在其他方向上具有更好的力學性能，同時也具有更高的成型精度，樣件的孔隙率也會更低。

在本文中，學者們研究了熔融長絲技術制造的短碳纖維增強的聚乳酸復合材料零件的力學性能和幾何性能。分別采用了純PLA絲材與短碳纖維增強的PLA絲材打印制造了不同的測試樣件。對兩種材料進行了拉伸、彎曲和層間剪切強度進行測試以獲得不同材料的力學性能。

圖 1 拉伸、彎曲以及層間剪切強度樣件形狀與尺寸

力學測試的結果顯示，與純PLA材料相比，添加碳纖維可以有效的改善復合材料的所有力學性能。特別是，碳纖維復合PLA材料的拉伸強度提高了47%，拉伸模量提高了179%，平均彎曲強度和剛度分別增加了89.75％和230.95％。此外，碳纖維復合PLA材料具有較好的層間剪切強度，比純PLA材料提高了133%。

圖 2 純PLA材料與碳纖維復合PLA材料的層間剪切強度對比

另一方面，碳纖維復合PLA材料的破壞應變要比純PLA小，這說明碳纖維的添加會使得復合材料變的更脆。精度研究結果顯示，在PLA基質中添加碳纖維并不會影響3D打印的樣品的尺寸精度，甚至在某些情況下（尤其是在平面以及邊緣位置）可以一定程度上改善樣件的表面粗糙度。

參考文獻：
Reverte, J. M., Caminero, M. á., Chacón, J. M., García-Plaza, E., Núñez, P. J., & Becar, J. P. (2020). Mechanical and Geometric Performance of PLA-Based Polymer Composites Processed by the Fused Filament Fabrication Additive Manufacturing Technique. Materials, 13(8), 1924.