创想三维：研究改善FDM 3D打印机打印ABS中层粘附力

在“超声波振动对FDM 3D打印机打印ABS中间层粘合力的影响”中，研究人员：Alireza Tofangchi、Pu Han、Julio Izquierdo、Adithya Iyengar和Keng Hsu研究了不同打印方法对FDM 3D打印机的影响。他们预测FDM 3D打印机作为制造业中的一个重要工具，在受到材料、精度、表面处理和零件质量的不断发展未来的潜力将会变得更大。

       通过在FDM 3D打印过程中使用34.4 kHz超声波振动，研究人员发现，与常规打印工艺相比，ABS层粘合力增加了10％。路易斯维尔大学机械工程系研究团队表示“这种层间粘合强度的增加归因于聚合物蠕变的增加，这是由于超声波振动引起的聚合物链从界面区域的二次相互作用松弛引起的。”

       一、用于将超声波振动结合到FDM 3D打印机 - 热塑性聚合物的沉积中

（a）实际装置的摄影。 （b）概念草图。

       该团队解释说，有几种不同的方法用于加强层间粘合。一个是通过提高温度依赖扩散性，在打印过程中或打印后增加更多的热量已被证明是有效的，另一个是同时在每层沉积之前加入红外线和激光加热也证明可以提高强度。研究人员还指出，“减少聚合物链的回转半径也可以导致层间强度的类似改善”，通过放松3D打印轨道中留下的聚合物链来实现。”

       超声波振动允许聚合物的松弛和扩散，产生更好的界面粘合，并且可能导致具有各向同性机械性能的部件。测试发生在MakerGear M3上，团队为包含振动而定制。使用40kHz压电晶体螺栓夹紧换能器产生振动，额定功率为25W。使用连杆和螺纹紧固件将加热器连接到加热器块。

       “使用连杆可以耦合换能器产生的振动，减少从加热器块到换能器的热传递，”研究人员说。 “将热端部分安装在打印头组件上，打印头的总共振频率测量为34.4 kHz。”

       将频率可调的超声波信号发生器调节到打印头的共振频率并连接到换能器，以提供激励信号，使喷嘴表面以测量的频率振动。通过在扫描发电机频率的同时测量喷嘴表面处的最大振动幅度来确定该共振频率。当在远离测量的谐振的频率下激励时，换能器输出反而在整个换能器→连杆→ 热端组件中作为热量消散。

       二、用于界面粘合强度测试的双层单轨道试样的Trouser剥离试验

（a）概念草图，（b）印刷双轨道试样的实际剥离试验。

       研究人员使用ASTM F88剥离测试来测量相互关联的剥离和能量，该系统以评估已密封的柔性带之间的粘合性而闻名。该测试与此相关，因为主题也是灵活的。

       研究结果显示粘附力保持一致。然而，当轨道宽度与喷嘴直径比从0.74变化到1.47时，粘附力增加但随后在1.2处平衡并且在较大比率下变得更低。这种反应是由从喷嘴行进的水平流动的聚合物流中的剪切力引起的。随着聚合物的流速和速度的增加，宽幅增加。

       “这种流速的增加反过来增加了聚合物在轨道顶部和底部表面附近所经历的局部剪切应力，并导致这些区域中聚合物链的解缠结量增加，”该团队表示。“这种链排列的增加（或聚合物链缠结的减少）可以增加聚合物在正交方向上的扩散性，这有助于增加层间粘合力，因为聚合物在界面上的蠕动增加。”

       扩散性可能是由聚合物链解缠结引起的，这也会增加链松弛，从而抵消聚合物打印台阶的增加。研究人员总结说：“与超声波振动相关的影响归因于超声引起的聚合物链从次级相互作用中的松弛增加，以及由于拉伸状态引起的蠕动和缠结的增加。”

       （a）1.0毫米宽的示例剥离测试的力 - 间隔距离曲线（b）对于控制和超声振动辅助的FDM 3D打印条件，界面粘合强度依赖于印刷轨道的宽度。 误差棒表示在给定的轨道宽度下，在对照和超声条件下测量的四个试样的粘合强度的标准偏差。

       来源：创想三维 https://www.cxsw3d.com/