TPU气辅3D打印中高温高压气流对制品性能的影响

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.09.013

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (9): 81-85.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.09.013

TPU气辅3D打印中高温高压气流对制品性能的影响

刘英兰¹(), 肖建华²(), 高延峰¹(), 胥世康²

^1.上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620
^2.上海工程技术大学化学化工学院，上海 201620

收稿日期:2024-10-15 出版日期:2025-09-26 发布日期:2025-09-22
通讯作者: 肖建华，教授，主要从事精密挤出成型研究，04200010@sues.edu.cn
高延峰，教授，主要从事材料成型加工研究，gyf_2672@163.com
E-mail:liuyinglan2022@163.com;04200010@sues.edu.cn;gyf_2672@163.com
作者简介:刘英兰，硕士研究生，liuyinglan2022@163.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(52063021)

Effects of high⁃temperature and high⁃pressure airflows on product performance in gas⁃assisted 3D printing of TPU

LIU Yinglan¹(), XIAO Jianhua²(), GAO Yanfeng¹(), XU Shikang²

^1.School of Mechanical and Automotive Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China
^2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China

Received:2024-10-15 Online:2025-09-26 Published:2025-09-22
Contact: XIAO Jianhua, GAO Yanfeng E-mail:liuyinglan2022@163.com;04200010@sues.edu.cn;gyf_2672@163.com

摘要/Abstract

摘要：

为提高3D打印制品的层间结合强度，提出一种高温高压气体辅助3D打印方法。研究了高温高压气体辅助3D打印条件下，聚氨酯3D打印离模后温度场、拉伸强度、断面形貌、制品表面官能团等物理、力学性能。结果表明，高温高压气体辅助3D打印条件下，TPU丝材离模后温度场高且均衡，有利于层间热黏合，断面孔隙率低，制品拉伸强度提升96 %。且空气中的高温高压氧气未与制品表面发生化学作用，未发生热氧化作用。研究结果为提升高分子3D打印制品力学性能提供了一种新途径。

关键词: 气体辅助, 温度场, 层间结合, 力学强度

Abstract:

In this study， a novel high⁃temperature， high⁃pressure gas⁃assisted 3D printing method was proposed to enhance interlayer bonding strength in polymer additive manufacturing. Using thermoplastic polyurethane （TPU） as a model material， the effects of this approach on the temperature field distribution， tensile strength， cross⁃sectional morphology， and surface chemistry of printed parts were systematically investigated. Experimental results indicated that the gas⁃assisted process achieved a uniform， elevated temperature field in TPU filaments， promoting effective interlayer fusion while maintaining low porosity （≤2 %）. This optimization leads to a 96 % improvement in tensile strength compared to conventional 3D printing methods. Furthermore， surface characterization confirmed that high⁃temperature oxygen exposure did not induce thermal oxidation or chemical degradation of the printed material. These findings established an effective strategy for significantly improving the mechanical performance of polymer 3D⁃printed components without compromising material integrity.

Key words: gas?assisted, inter?layer bonding, temperature field, mechanical strength

中图分类号:

TQ323.8

刘英兰, 肖建华, 高延峰, 胥世康. TPU气辅3D打印中高温高压气流对制品性能的影响[J]. 中国塑料, 2025, 39(9): 81-85.

LIU Yinglan, XIAO Jianhua, GAO Yanfeng, XU Shikang. Effects of high⁃temperature and high⁃pressure airflows on product performance in gas⁃assisted 3D printing of TPU[J]. China Plastics, 2025, 39(9): 81-85.

图/表 11

图1 气辅3D打印示意图

Fig.1 Gas⁃assisted 3D printing

图2 气辅3D打印机理

Fig.2 Mechanism of Gas⁃assisted 3D printing

图3 气辅3D打印喷嘴

Fig.3 Gas⁃assisted nozzle

图4 气辅3D打印实验装置系统

Fig.4 Experimental system of gas⁃assisted 3D printing

3D打印参数	TPU
层厚/mm	0.10
填充率/%	100
填充模式	线性
打印速度/mm·s^-1	20
丝材直径/mm	1.75
喷嘴直径/mm	1.00
取向角/°	±0
喷嘴温度/℃	210
平台温度/℃	0

表1 TPU材料的3D打印参数

Tab.1 3D Print parameters of TPU

3D 打印参数	TPU
气体温度/℃	210
气体压力/MPa	0.15
气体流量/L·min^-1	2.00

表2 TPU材料气辅3D打印工艺参数

Tab.2 Gas⁃assisted 3D printing parameters of TPU

图5 TPU材料3D打印离模后的温度场

Fig.5 Temperature filed of TPU 3D printing

图6 TPU材料3D打印件层间黏合性能

Fig.6 Inter⁃layer bonding strength of TPU 3D printing

图7 TPU拉伸后的断面形貌

Fig.7 TPU tensile fracture surface

图8 TPU打印件的FIIR和XPS图谱

Fig.8 FTIR spectra and XPS survey scan spectra of TPU

图9 TPU打印件XPS图谱中的O1s

Fig.9 O1s high resolution XPS spectrum of TPU

参考文献 17

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Effects of high⁃temperature and high⁃pressure airflows on product performance in gas⁃assisted 3D printing of TPU

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