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  隨著科技的不斷發(fā)展進步，3D打印技術(shù)作為一種全新的數(shù)字化模擬制造技術(shù)應(yīng)運而生并迅速發(fā)展。其中，熔融沉積技術(shù)具有設(shè)備簡單、工藝潔凈、運行成本低且不產(chǎn)生過多加工殘留物等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于快速原型和教育等領(lǐng)域。但現(xiàn)有的熔融沉積材料主要以ABS和PLA等通用塑料為主，需要針對工業(yè)產(chǎn)品制造開發(fā)適合高強度工程塑料等材料的3D打印成型技術(shù)。

  中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所增材制造重點實驗室許高杰研究員團隊針對高性能工程塑料3D打印技術(shù)開展了一系列研究工作。選取了具有高堅韌度和抗疲勞特性的半晶態(tài)尼龍12和高強度聚醚酰亞胺作為基體，研究了熔體流變特性對熔融長絲燒結(jié)特性的影響，對高性能工程塑料的3D打印工藝參數(shù)、工業(yè)可用性進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，半結(jié)晶高分子具有較好的流變性能和快速燒結(jié)特性，在合適的打印條件下能夠獲得接近注塑件的力學(xué)性能。拓展了高溫高強度工程塑料在熔融沉積技術(shù)中的應(yīng)用（Rapid Prototyping Journal, 2017, 23(6), 973–982. High Performance Polymers, 2019, 31(1): 97-106.）。

  由于熔融沉積層層疊加成型過程產(chǎn)生的空隙會不可避免地降低3D打印產(chǎn)品的機械強度，嚴重制約了熔融沉積技術(shù)的應(yīng)用推廣。研究人員在工藝研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了尼龍12/氧化石墨烯、尼龍12/碳纖維復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)兩種填料在熔融沉積成型過程中可實現(xiàn)取向分布，不僅有效提高了產(chǎn)品的機械強度（GNPs 7%和CFs 251.1%），還能夠?qū)Ξa(chǎn)品熱導(dǎo)率（提高51.4%）進行靈活調(diào)控。（Journal of Applied Polymer Science, 2017, 134(39), 45332.; Materials & Design, 2018, 139: 283-292.）。

圖1 共混物熔融沉積成型流程圖

  最近，研究人員以聚乳酸（PLA）為基體，以熱塑性聚氨酯（TPU）為填料，通過熔融沉積技術(shù)的整個加工流程實現(xiàn)了彈性體TPU原位成纖，纖維狀TPU的平均長度可以實現(xiàn)從67.24μm到103.72μm的精準調(diào)控。同時，TPU成纖有效改善了其與PLA基體的界面結(jié)合力。研究發(fā)現(xiàn)，3D打印形成的網(wǎng)格狀TPU可有效補償打印空隙對打印件力學(xué)強度的弱化效應(yīng)，使產(chǎn)品的韌性達到甚至超過注塑水平。該熔融沉積原位纖維技術(shù)為制備高韌性聚乳酸復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件提供了簡便有效的方法（Macromolecular Materials and Engineering, 2019, 1900107）。

圖2 注塑（a）和打印（b）成型件中TPU的分布形貌

圖3 TPU含量和分布結(jié)構(gòu)對制件沖擊強度的影響

  以上工作得到了國家自然科學(xué)基金（11574331, 11674335）和寧波市科技局（2016B10005, 2018A610009）的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/app.45332