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俄罗斯科学院有机化学研究所建立3D打印应用的溶剂相容性图表

http://www.b2b.hc360.com 中国金属加工网 信息来源:Author发布时间:2020年03月26日浏览:180

俄罗斯科学院有机化学研究所的研究人员Kirill S.Erokhin,Evgeniy G.Gordeev和Valentine P.Ananikov深入研究了3D打印科学的新水平,在最近发表的《揭示层状相互作用》中概述固液界面上的聚合物材料,用于建立3D打印应用的溶剂相容性图表。”
       3D打印零件的强度和稳定性是当今用户不断完善的领域,研究人员已对材料进行了大量实验,以弄清楚如何获得更好的结果,创建新算法,研究孔隙率的成因和影响以及解决方法。消除结构缺陷。这项研究的重点是化学物质的作用,但是作者评估了热塑性塑料对各种溶剂的反应。
      尽管制造几乎任何种类的零件或原型都存在明显的挑战,但在许多应用(例如医学和相关领域,例如组织工程、航空航天、汽车、农业等)中,好处可能是巨大的,并且具有巨大的潜力。无限创新但是,对于关键应用中使用的功能部件,必须确保其稳定性。在打印过程中,微结构可能会改变,孔隙率可能会影响质量,暴露于有机溶剂中可能会导致化学分解。
       诸如聚醚醚酮(PEEK)、聚苯砜(PPSU)和聚醚酰亚胺(Ultem)之类的材料可能显示出耐化学性并显示出优异的机械性能,但是对于大多数“超级建筑材料”,需要定制的昂贵3D打印机来维持高温(成功制造所需的温度为350-400摄氏度)。“此外,这种材料本身很昂贵(与传统的生产级热塑性塑料相比),这使得它们的日常使用不是很普遍。尽管对低收缩的高强度,耐化学腐蚀的FDM材料有很高的要求,但在其开发方面的努力仍然有限。”研究人员解释说。
    作为一个重要的限制,3D打印非常不适合生产要暴露于液体介质的塑料物体。限制是由于塑料对液体化学物质的敏感性。”简单调整打印参数可以提供解决方案,即使在大量暴露于溶剂的情况下,也可以使结构更合理。作者使用圆柱部分和相同的3D打印副本进行了比较模型实验。
当他们将零件浸入DCM中时,3D打印的零件开始迅速失去其完整性。

       FDM零件在液体介质中的稳定性测试表示。(a)通过标准挤压技术制成的PLA零件; (b)通过FDM 3D打印在本作品中制成的PLA零件; (c)直径为2.85mm的挤压件(左)和FDM打印件(右)的宏观照片;(d,e)分别使用3D打印部件(挤压系数k = 0.9)和使用黄铜圆柱体作为完整性指标的挤压部件在DCM中的耐化学性测试的快照(补充影片S1,S2) ; (f)基于FDM的增材制造的原理;(g)通过FDM生产的分层结构,(h)由于与溶剂的相互作用而破坏了3D打印的表面。


    使用Picaso 3D Designer Pro 250打印机创建了样本,并提供了有关材料的以下信息:
      使用ABS,SBS,PLA,尼龙,PP,PE,PETG,HIPS,POM和Primalloy进行的打印是通过使用0.3mm的喷嘴在0.2mm的层高度完成的。使用填充的塑料PLA-Cu,尼龙-C和Ceramo进行的打印是通过使用0.5mm的喷嘴,层高为0.35mm的来完成的。”
最终,使用了12种不同的溶剂:

  • 二氯甲烷(DCM)

  • 四氢呋喃(THF)

  • 丙酮

  • 二甲基甲酰胺(DMF)

  • 甲苯

  • 乙酸乙酯

  • 三乙胺(TEA)

  • 醋酸

  • 乙醇

  • 硫酸

  • 氢氧化钠

      以金属珠作为完整性指标来破坏DCM中的ABS零件的示例。 (a)一系列快照;(b)相应的曲线反映了3D打印的蓝色圆柱体由于破坏过程而增加的可见面积(横轴表示实验时间,纵轴表示实际与初始面积之比);(c)圆形图的示例:ABS作为一种不稳定的材料(红色),以及更稳定的材料的一般符号(蓝色和绿色)。

     这组作者解释说:“制造方式(传统与3D打印)对于与液体接触的真实性能至关重要。”他们解释说,“简单的溶剂相容性表”是不够的。其他聚合物材料也进行了测试,具有最高的耐化学性包括:PP,PE,POM,尼龙和尼龙C。或者,FDM材料(例如PLA,ABS,SBS和HIPS)显示出较小的耐溶剂性。

      暴露在有机和无机溶剂中1μh时FDM零件区域变化的圆图。1.材料在实验过程中坍塌(ΔS> 20%):物体因溶解,崩解和/或分层而变形。 2.该材料在实验过程中显示出中等稳定性(ΔS= 2–20%),外层溶胀或溶解程度较小,但形状保持令人满意;3.材料在实验过程中是稳定的(ΔS<%2%):物体保持其形状,并且未观察到外层的溶解(请参阅补充影片S3)。

    Primalloy(一种弹性体)表现出“中等强度”,而PETG则对丙酮和甲苯以及乙酸乙酯和DCM具有抵抗力。所指出的破坏的主要类型是崩解、分层、分子溶解和溶胀,其中“破坏情景”被记录为热塑性塑料和溶剂之间的关系,以及诸如PLA在DCM中溶解但在丙酮中分层的方式之类的差异。“所有经过测试的材料都对水、酸性和碱性水溶液以及乙醇具有抵抗力,这使其可以暴露于水性反应介质中。同时,PLA,PLA-Cu,ABS,SBS,Ceramo,HIPS和Primalloy零件与丙酮,乙酸乙酯,甲苯,DMF,THF和DCM不相容。
       可以通过三种方式提高打印零件对溶剂的抵抗力。首先,可以通过添加剂对聚合物进行改性,以保护其免受溶剂作用。其次,可以通过合理选择3D打印参数来防止溶剂的影响,因为降低的孔隙率会阻止溶剂的渗透。另外,可以通过调整零件的几何形状来减轻溶剂的影响。”

     挤压系数k对FDM零件的结构完整性的影响。(a)由PLA制成的圆筒形零件的壁厚取决于挤压倍数的变化;(b)由PLA制成的圆柱形零件的壁结构完整性变化;(c)由ABS制成的圆柱形试管壁厚的变化;(d)改变由ABS制成的圆柱形试管的壁结构完整性;(e)FDM试管的完整G代码的图形表示;(f)F代码试管壁上接缝点的G代码定义分布; (g)FDM试管的单层结构,接缝位置用红色箭头表示。
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