3D打印工艺参数对PLA/PTW共混物力学性能影响的研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.02.011

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (2): 70-75.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.02.011

3D打印工艺参数对PLA/PTW共混物力学性能影响的研究

马秀清¹, 劳志超¹, 李明谦¹, 韩顺涛²(), 胡楠³()

^1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029
^2.中国核电工程有限公司，北京 100840
^3.航天特种材料及工艺技术研究所，北京 100074

收稿日期:2023-08-01 出版日期:2024-02-26 发布日期:2024-02-03
通讯作者: 韩顺涛（1994—），男，助理工程师，研究方向为材料改性，hanshuntaohst@163.com
胡楠（1996—），男，助理工程师，研究方向为热塑/热固性复合材料先进制造技术，550704188@qq.com
E-mail:hanshuntaohst@163.com;550704188@qq.com

Effect of 3D printing process parameters on mechanical properties of PLA/PTW blends

MA Xiuqing¹, LAO Zhichao¹, LI Mingqian¹, HAN Shuntao²(), HU Nan³()

^1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^2.China Nuclear Power Engineering Co，Ltd，Beijing 100840，China
^3.Research Institute of Aerospace Special Materials and Process Technology，Beijing 100074，China

Received:2023-08-01 Online:2024-02-26 Published:2024-02-03
Contact: HAN Shuntao, HU Nan E-mail:hanshuntaohst@163.com;550704188@qq.com

摘要/Abstract

摘要：

采用3D打印中的熔融沉积成型（FDM）工艺制备了聚乳酸/乙烯⁃丙烯酸丁酯⁃甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物（PLA/PTW），通过单因素实验探究了3D打印工艺参数（喷头温度、打印平台温度和打印速度）对PLA/PTW共混物力学性能的影响，并在此基础上设计了三因素三水平正交实验，优化了3D打印的工艺参数。结果表明，共混物的冲击强度和拉伸强度均随喷头温度的增加呈现先上升后下降、均随打印平台温度的增加而增加、均随打印速度的增加出现下降的趋势。各工艺参数对PLA/PTW共混物综合力学性能的影响从大到小依次为：喷头温度、打印速度、打印平台温度，且当喷头温度为210 $℃$ 、打印平台温度为80 $℃$ 以及打印速度为40 mm/s时，打印出的PLA/PTW共混物的综合力学性能最佳。

关键词: 3D打印, 聚乳酸/乙烯?丙烯酸丁酯?甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物, 力学性能

Abstract:

Poly（lactic acid）（PLA）/ethylene⁃butyl acrylate⁃methacrylic acid glycerin ester copolymer （PTW） blends were prepared by 3D print through a fused deposition modeling （FDM） process， and the effect of 3D printing process parameters， including nozzle temperature， printing platform temperature， and printing speed， on the mechanical properties of the PLA/PTW blends were investigated through a single⁃factor experiment. Based on this experiment， a 3⁃factor， 3⁃level orthogonal experiment was designed to optimize the 3D⁃printing process parameters. The results indicated that the impact strength and tensile strength of the blends exhibited an increasing trend at first and then tended to decrease with an increase in the nozzle temperature， and both of them increased with an increase in the printing platform temperature but decreased with an increase in the printing speed. The influence of various process parameters on the comprehensive mechanical properties of the PLA/PTW blends was in a descending order of nozzle temperature > printing speed > printing platform temperature. The printed PLA/PTW product exhibited optimal comprehensive mechanical properties at a nozzle temperature of 210 $℃$ ， a printing platform temperature of 80 $℃$ ， and a printing speed of 40 mm/s.

Key words: 3D printing, poly（lactic acid）/ethylene?butyl acrylate?methacrylic acid glycerin ester copolymer, mechanical property

中图分类号:

TQ321

马秀清, 劳志超, 李明谦, 韩顺涛, 胡楠. 3D打印工艺参数对PLA/PTW共混物力学性能影响的研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 70-75.

MA Xiuqing, LAO Zhichao, LI Mingqian, HAN Shuntao, HU Nan. Effect of 3D printing process parameters on mechanical properties of PLA/PTW blends[J]. China Plastics, 2024, 38(2): 70-75.

图/表 13

图1 螺杆构型示意图

Fig.1 Schematic diagram of the screw configurations

区域	T₁	T₂	T₃	T₄	T₅	T₆	T₇
加工温度/ $℃$	150	160	170	180	180	170	155

区域	T₁	T₂	T₃	T₄	T₅	T₆	T₇
加工温度/ $℃$	150	160	170	180	180	170	155

表1 机筒各段及机头温度设定值

Tab.1 Each barrel section and head temperature setting values

表1 机筒各段及机头温度设定值

Tab.1 Each barrel section and head temperature setting values

图2 PLA/PTW改性丝材

Fig.2 PLA/PTW modified silk material

图3 FDM式3D打印示意图

Fig.3 Schematic diagram of FDM 3D printing

图4 3D打印中的试样

Fig.4 Sample of 3D printing

图5 喷头温度对PLA/PTW力学性能的影响

Fig.5 Effect of nozzle temperature on mechanical properties of the PLA/PTW

图6 打印平台温度对PLA/PTW力学性能的影响

Fig.6 Effect of printing platform temperature on mechanical properties of the PLA/PTW

图7 打印速度对PLA/PTW力学性能的影响

Fig.7 Effect of printing speed on mechanical properties of the PLA/PTW

水平	因素
水平	喷头温度（A）/ $℃$	打印平台温度（B）/ $℃$	打印速度（C）/mm·s^-1
1	200	60	40
2	210	70	50
3	220	80	60

水平	因素
水平	喷头温度（A）/ $℃$	打印平台温度（B）/ $℃$	打印速度（C）/mm·s^-1
1	200	60	40
2	210	70	50
3	220	80	60

表2 三因素三水平正交实验方案

Tab.2 Three⁃factor three⁃level orthogonal experimental protocol

表2 三因素三水平正交实验方案

Tab.2 Three⁃factor three⁃level orthogonal experimental protocol

实验编号	实验因素及水平			冲击强度/ kJ·m^-2	拉伸强度/MPa	综合力学性能指数
实验编号	A	B	C	冲击强度/ kJ·m^-2	拉伸强度/MPa	综合力学性能指数
1	1	1	1	29.43	18.24	47.67
2	1	2	2	28.97	18.73	47.70
3	1	3	3	29.07	18.54	47.61
4	2	1	2	28.89	18.97	47.86
5	2	2	3	28.92	18.94	47.86
6	2	3	1	30.23	18.79	49.02
7	3	1	3	27.86	18.66	46.52
8	3	2	1	29.34	18.69	48.03
9	3	3	2	28.26	19.09	47.35

表3 正交实验结果

Tab.3 Results of orthogonal experiment

性能指标	A	B	C
K₁	29.16	28.73	29.67
K₂	29.35	29.08	28.71
K₃	28.49	29.19	28.62
R	0.86	0.46	1.05

表4 冲击强度的均值与极差

Tab.4 Average and range of the impact strength

性能指标	A	B	C
K₁	18.50	18.62	18.57
K₂	18.90	18.79	18.93
K₃	18.81	18.81	18.71
R	0.40	0.19	0.36

表5 拉伸强度的均值与极差

Tab.5 Average and range of the tensile strength

性能指标	A	B	C
K₁	47.66	47.35	48.24
K₂	48.25	47.86	47.64
K₃	47.30	47.99	47.33
R	0.95	0.64	0.91

表6 综合力学性能指数的均值与极差

Tab.6 Average and range of comprehensive mechanical property index

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Effect of 3D printing process parameters on mechanical properties of PLA/PTW blends

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