2020-12-02
摘要:增材制(zhi)造中(zhong)材料性(xing)能(neng)影響到其(qi)(qi)在(zai)3D打印中(zhong)加工(gong)的(de)(de)性(xing)能(neng)以及(ji)終產品的(de)(de)質量，TPU是*可用于(yu)SLS工(gong)藝的(de)(de)柔性(xing)材料之(zhi)一。本文(wen)從(cong)粉(fen)末流動性(xing)，粒(li)度(du)粒(li)形(xing)以及(ji)比表(biao)面積等各(ge)項性(xing)能(neng)來表(biao)征TPU材料的(de)(de)性(xing)能(neng)，用于(yu)評估其(qi)(qi)對于(yu)終加工(gong)性(xing)能(neng)的(de)(de)影響。
關鍵詞：增材制造；性(xing)能表征；粉末流動性(xing)；粒(li)度(du)粒(li)形(xing)表征；比(bi)表面積表征
3D打(da)印(yin)，又(you)稱增(zeng)材制造，正從(cong)快速原型制造發(fa)展為大規模生產。由于其(qi)性質、原料(liao)的不同，適用于許多行業和(he)應用。
增材制(zhi)造是一個*數(shu)字(zi)化的生產過(guo)程，使(shi)無工具制(zhi)造物體成(cheng)(cheng)為可能(neng)。與傳統制(zhi)造工藝相(xiang)比(bi)減少了浪費。憑借數(shu)字(zi)化生產過(guo)程，公司可以分散制(zhi)造業(ye)務(wu)，在離客戶更近的地(di)方生產三(san)維產品。這使(shi)得他們可以更快地(di)將產品推向市場，同(tong)時減少運(yun)輸成(cheng)(cheng)本。
柔(rou)性(xing)(xing)(xing)TPU 3D打(da)印(yin)(yin)是(shi)(shi)一(yi)種(zhong)柔(rou)性(xing)(xing)(xing)材(cai)料3D打(da)印(yin)(yin)技(ji)術，是(shi)(shi)3D打(da)印(yin)(yin)個性(xing)(xing)(xing)化加工(gong)制造業中令(ling)人興(xing)奮的(de)領(ling)域之一(yi)。原(yuan)因在(zai)于，3D打(da)印(yin)(yin)的(de)優點加上TPU的(de)柔(rou)性(xing)(xing)(xing)和韌性(xing)(xing)(xing)可(ke)以(yi)滿(man)足用(yong)戶更多的(de)需求。通(tong)過SLS（選(xuan)擇(ze)性(xing)(xing)(xing)激(ji)光(guang)(guang)燒(shao)結(jie)(jie)）的(de)3D打(da)印(yin)(yin)工(gong)藝可(ke)實現柔(rou)性(xing)(xing)(xing)TPU材(cai)料的(de)快速成型(xing)。選(xuan)擇(ze)性(xing)(xing)(xing)激(ji)光(guang)(guang)燒(shao)結(jie)(jie) (SLS) 是(shi)(shi)一(yi)種(zhong)常用(yong)的(de)打(da)印(yin)(yin)技(ji)術，使用(yong)細粉作為(wei)打(da)印(yin)(yin)介質，一(yi)次打(da)印(yin)(yin)一(yi)層三維部(bu)件。以(yi)激(ji)光(guang)(guang)為(wei)熱(re)源燒(shao)結(jie)(jie)細粉，使得材(cai)料粉末(mo)熔合到一(yi)起。
TPU(Thermoplastic polyurethanes)名稱為(wei)熱塑性(xing)(xing)聚(ju)氨酯彈(dan)性(xing)(xing)體(ti)橡(xiang)(xiang)膠，聚(ju)氨酯彈(dan)性(xing)(xing)體(ti)是彈(dan)性(xing)(xing)體(ti)中比較特殊的一大類，聚(ju)氨酯彈(dan)性(xing)(xing)體(ti)的硬度范圍很寬(kuan)，性(xing)(xing)能范圍很寬(kuan)，所以(yi)聚(ju)氨酯彈(dan)性(xing)(xing)體(ti)是介(jie)于橡(xiang)(xiang)膠和塑料(liao)的一類高分子材(cai)料(liao)。
TPU具(ju)(ju)有zhuo越的(de)(de)(de)高(gao)張力(li)、高(gao)拉(la)力(li)、強韌(ren)(ren)和(he)耐老(lao)化(hua)的(de)(de)(de)特(te)性(xing)(xing)，是一種(zhong)成熟的(de)(de)(de)環保材(cai)料(liao)。目前(qian)，TPU已廣泛應(ying)用于(yu)醫療衛生(sheng)、電子電器、工業(ye)及(ji)體育等(deng)方面，其具(ju)(ju)有其它塑(su)料(liao)材(cai)料(liao)所(suo)*的(de)(de)(de)強度高(gao)、韌(ren)(ren)性(xing)(xing)好等(deng)特(te)性(xing)(xing)，同時還具(ju)(ju)有高(gao)防水性(xing)(xing)、透濕性(xing)(xing)、抗紫外線以及(ji)能量釋放等(deng)許多優異(yi)的(de)(de)(de)功能。
TPU 粉末(mo)，是*可用(yong)于 SLS 工(gong)藝的(de)(de)柔性材(cai)料之一。用(yong)其制造出的(de)(de)外(wai)部彈簧，以(yi)高彈性和高耐磨性著稱。TPU粉末(mo)比(bi)通常用(yong)于SLS的(de)(de)材(cai)料更具(ju)優(you)勢，而其他材(cai)料往往不那么堅韌，富有(you)彈性。
而對于增材(cai)制造中TPU材(cai)料的(de)性(xing)能(neng)，毫無疑問必(bi)將影響(xiang)到其在3D打印(yin)中加工的(de)性(xing)能(neng)以(yi)及終產(chan)品的(de)質量。下面(mian)我(wo)們(men)將從幾個方面(mian)來(lai)表征TPU粉末的(de)性(xing)能(neng)，包括粉末流動性(xing)，粒度粒形以(yi)及比表面(mian)積等各項性(xing)能(neng)，我(wo)們(men)將以(yi)三個TPU粉末材(cai)料為例。
一．粉末流動性比較
粉末的(de)流(liu)動(dong)性是粉末的(de)一種宏觀表現，很多時候大家都是借助一些比較簡單粗糙的(de)儀器或者方法進行表征，但科學(xue)地性能表征才(cai)能得到(dao)更(geng)穩定的(de)數(shu)據并(bing)給(gei)與(yu)生產加工更(geng)加科學(xue)的(de)指導。
下(xia)面我們將通過Granutools的(de)三(san)款(kuan)型號(hao)的(de)儀器Drum,Pack和Heap從粉(fen)末(mo)流動性，振實密度(du)和休止角三(san)個(ge)角度(du)來表征三(san)個(ge)樣品間的(de)差異。
我們(men)所測試的樣品(pin)為(wei)TPU-A,B,C三(san)個(ge)粉體樣品(pin)，三(san)個(ge)粉體樣品(pin)從外觀來看都(dou)為(wei)白色粉末，有不同(tong)程度的團聚現象。
（1）TPU-A，B，C三(san)個樣品(pin)采用(yong)Granutools Drum所(suo)測隨(sui)轉動(dong)速(su)度(du)變化流動(dong)角度(du)和內聚指(zhi)數之間的對比：
粉末流動(dong)(dong)性越好，流動(dong)(dong)角(jiao)度(du)相對更(geng)小（Flow Angle），內聚(ju)指數(shu)(shu)小。從以上可以看(kan)出樣品A隨速(su)(su)度(du)增加(jia)流動(dong)(dong)角(jiao)度(du)增加(jia)明(ming)(ming)顯，內聚(ju)指數(shu)(shu)增加(jia)明(ming)(ming)顯，屬于(yu)比較明(ming)(ming)顯的(de)剪切增稠的(de)粉末。而粉末B隨流動(dong)(dong)速(su)(su)度(du)增加(jia)兩個指數(shu)(shu)都(dou)相對穩定(ding)，C的(de)內聚(ju)指數(shu)(shu)也(ye)會隨著速(su)(su)度(du)增加(jia)增大(da)的(de)幅度(du)也(ye)大(da)于(yu)B。
對于(yu)粉(fen)(fen)末流(liu)(liu)動(dong)性(xing)，Granutools Drum可以(yi)(yi)(yi)根據Cohesion的(de)(de)值給(gei)出參考的(de)(de)流(liu)(liu)動(dong)性(xing)能指導(dao)。通過這個(ge)參數也可以(yi)(yi)(yi)了解粉(fen)(fen)末隨流(liu)(liu)動(dong)速(su)度的(de)(de)流(liu)(liu)動(dong)性(xing)評價，而通過Granutool Drum的(de)(de)粉(fen)(fen)末流(liu)(liu)動(dong)性(xing)測(ce)試，我們可以(yi)(yi)(yi)用來優化3D打印中鋪粉(fen)(fen)速(su)度。
(2)我們(men)還可以通過Granutools Pack來表征粉末(mo)的(de)振實(shi)密度與流(liu)動(dong)性(xing)之間的(de)關系。對于性(xing)能(neng)良好的(de)粉體，具有(you)高聚集率(lv)，聚集率(lv)變化(hua)小，以及(ji)高速動(dong)態壓實(shi)(low n1/2)等特點。
我們來看下三個粉末(mo)的振實過程(cheng)對比(bi)：
對(dui)比(bi)(bi)來看，TPU-B的實驗壓實動力學(xue)參(can)數(shu)小(xiao)，豪斯納比(bi)(bi)指(zhi)數(shu)低，相對(dui)流動性是(shi)三個(ge)粉體中(zhong) 好(hao)的，同時TPU-B具有高的振(zhen)實密(mi)度值，而我們也通過(guo)真(zhen)密(mi)度儀(yi)器(qi)測試(shi)過(guo)三款粉末的真(zhen)密(mi)度值是(shi)一致(zhi)的。
(3)而對于(yu)粉(fen)末來說，休(xiu)(xiu)止角是檢驗粉(fen)體流動(dong)性好壞簡便的方(fang)法。休(xiu)(xiu)止角越(yue)小，說明摩擦力越(yue)小，流動(dong)性越(yue)好。而休(xiu)(xiu)止角也可以通(tong)過Granutools Heap來測試(shi)：
而對于休止角和粉末流動性(xing)關(guan)系(xi)的指(zhi)導建議如下：
從以(yi)上(shang)可以(yi)看(kan)出(chu)，樣品A和(he)B的休止角比(bi)較(jiao)接近，而 C是流動性(xing)比(bi)較(jiao)差的。
二．粉末的粒度分布和粒形比較
我(wo)們都(dou)知(zhi)道粉末的(de)很多(duo)宏(hong)觀性能其(qi)實都(dou)會(hui)受到顆(ke)粒(li)粒(li)度(du)大小及其(qi)分布，以(yi)及顆(ke)粒(li)形狀的(de)影(ying)響，包括以(yi)上的(de)粉末流動性也(ye)一定是(shi)和顆(ke)粒(li)的(de)粒(li)度(du)分布和形貌有一定的(de)關系。
下面我們(men)將通(tong)過Microtrac的 Sync粒(li)(li)度粒(li)(li)形分(fen)析儀來評價三個(ge)粉末之間的差異。
粒度(du)分布以及顆粒形狀統計如下(xia)：
從(cong)數據來看(kan)，TPU-A粒(li)(li)度(du)大，但顆(ke)(ke)粒(li)(li)形狀不(bu)規則；而TPU-B粒(li)(li)度(du)分布相(xiang)對(dui)比較(jiao)寬，會有一定的(de)大小(xiao)顆(ke)(ke)粒(li)(li)的(de)配比，同(tong)時顆(ke)(ke)粒(li)(li)形狀相(xiang)對(dui)更接近(jin)(jin)球形；TPU-C粉末細，形狀也(ye)比較(jiao)接近(jin)(jin)球形。
理論上來說，顆粒越(yue)大流動性(xing)會越(yue)好，但受到(dao)顆粒形(xing)狀的(de)影(ying)響，三款粉(fen)末中TPU-B的(de)因為(wei)形(xing)狀更為(wei)規則(ze)，所以表現出(chu)流動性(xing)更佳。
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