基于顶部加热与分步制造的PDMS/SiC功能梯度材料3D打印成形规律研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.11.008

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (11): 74-80.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.11.008

基于顶部加热与分步制造的PDMS/SiC功能梯度材料3D打印成形规律研究

王洛唯, 杨建军(), 朱嘉乐

青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东青岛 266520

收稿日期:2023-05-26 出版日期:2023-11-26 发布日期:2023-11-22
通讯作者: 杨建军（1977—），男，教授，从事3D打印、微纳增材制造、柔性电子方面研究，yjjdem@163.com
E-mail:yjjdem@163.com
基金资助:
山东省自然科学基金项目(ZR2021ME139)

3D printing formation law of PDMS/SiC functionally graded materials based on top heating and step⁃by⁃step forming

WANG Luowei, YANG Jianjun(), ZHU Jialei

School of Mechanical and Automotive Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao 266520，China

Received:2023-05-26 Online:2023-11-26 Published:2023-11-22
Contact: YANG Jianjun E-mail:yjjdem@163.com

摘要/Abstract

摘要：

聚二甲基硅氧烷（PDMS）基材料未固化状态下具有摊铺（流动浸润）特性，传统底部加热的固化方式无法满足及时固化的需求。针对此问题，以PDMS和碳化硅（SiC）粉末混合功能梯度材料为例，采用顶部与底板双重加热方式，提出了一种边框区与填充区两步3D打印的精密成形方法，探究了打印速度、气压、激光功率密度等工艺参数对不同SiC含量PDMS/SiC复合材料制造精度的影响规律。最终选取激光功率密度101.85 W/cm²时进行功能梯度样件打印。结果表明，采用分步打印方式制备的样件整体形貌优异，样件侧面倾角40°增大到80°，极大地提高了打印形状尺寸精度。

关键词: 分步3D打印, 顶部加热, 功能梯度材料

Abstract:

Polydimethylsiloxane （PDMS）⁃based material has a feature of spreading （flow infiltration） in the uncured state， and the traditional bottom heating curing method can not meet the requirement of timely curing. To solve this problem， a PDMS/silicon carbide （SiC） powder⁃mixed functional gradient material was taken as an example， and a two⁃step 3D printing precision forming method for border area and filling area was proposed by using a dual heating method on the top and bottom plate. The effects of the printing speed， air pressure， effect of laser power density， and other process parameters on the manufacturing accuracy of PDMS/SiC composites with different SiC contents were investigated. Finally， a laser power density of 101.85 W/cm² was selected for the printing of the functional gradient sample. The results indicated that the overall morphology of the samples prepared by the multi⁃step printing method was excellent， and their side angle increased from 40° to 80°. This greatly improved the precision of the printed shapes and dimensions.

Key words: step?by?step 3D printing, top heating, functionally graded material

中图分类号:

TQ320.66

王洛唯, 杨建军, 朱嘉乐. 基于顶部加热与分步制造的PDMS/SiC功能梯度材料3D打印成形规律研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(11): 74-80.

WANG Luowei, YANG Jianjun, ZHU Jialei. 3D printing formation law of PDMS/SiC functionally graded materials based on top heating and step⁃by⁃step forming[J]. China Plastics, 2023, 37(11): 74-80.

图/表 12

图1 打印过程中未及时固化对打印制件成形的影响

Fig.1 Influence of not curing in time on the forming of printed parts

图2 PDMS/SiC功能梯度柔性衬底结构分步成形打印过程示意图

Fig.2 Schematic diagram of step⁃by⁃step forming and printing process of PDMS/SiC functional gradient flexible substrate structure

图3 基于墨水直写技术多喷头3D打印机设备

Fig.3 Multi⁃head 3D printer based on ink direct writing technology

图4 打印喷头及其剖视图

Fig.4 Printout nozzle and its section diagram

图5 打印速度与气压对基底层厚的影响

Fig.5 Effect of printing speed and air pressure on thickness of the base layer

图6 调焦距离对光斑聚焦直径与激光功率密度的影响

Fig.6 Effect of focusing distance on spot focusing diameter and laser power density

图7 施加顶部加热前后打印线宽与层厚

Fig.7 Print line width and layer thickness before and after applying top heating

图8 激光的功率密度对边框区打印层厚与线宽的影响

Fig.8 Effect of laser power density on thickness and line width of the printing layer in frame area

图9 打印速度与气压对不同SiC含量边框区打印层厚与线宽的影响

Fig.9 Effect of printing speed and air pressure on thickness and line width of printing layer in border area with different SiC contents

图10 打印参数对填充区打印层厚的影响

Fig.10 Effect of printing parameters on thickness of the printing layer in filling area

打印层	区域	SiC 含量/%	激光功率密度/W·cm^-2	打印速度/mm·s^-1	气压/MPa
基底层	边框区	0	—	20	0.05
基底层	填充区	0	—	20	0.05
第一层	边框区	15	101.85	5	0.04
第一层	填充区	15	—	10	0.04
第二层	边框区	30	101.85	8	0.06
第二层	填充区	30	—	12	0.05
第三层	边框区	45	101.85	5	0.06
第三层	填充区	45	—	10	0.06

表1 打印工艺参数

Tab.1 Process parameters for printing

图11 不同方式打印的 PDMS/SiC功能梯度样件形貌对比

Fig.11 Comparison of morphology of PDMS/SiC functional gradient samples printed by different methods

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基于顶部加热与分步制造的PDMS/SiC功能梯度材料3D打印成形规律研究

3D printing formation law of PDMS/SiC functionally graded materials based on top heating and step⁃by⁃step forming

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