ＣＨＩＮＡＰＬＡＳＴＩＣＳＩＮＤＵＳＴＲＹ
５１
连续玻璃纤维增强ＰＬＡ复合材料３Ｄ打印技术研究
(１.北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所ꎬ北京１０００２９ꎻ２.衢州学院机械工程学院ꎬ浙江衢州３２４０００ꎻ
３.浙江锴睿新材料科技有限公司ꎬ浙江衢州３２４０２２)
摘要:以聚乳酸(ＰＬＡ)为基体ꎬ连续玻璃纤维为增强体ꎬ采用熔融浸渍工艺制备连续玻璃纤维预浸丝ꎬ将制得的预浸丝作为３Ｄ打印耗材用于熔融沉积(ＦＤＭ)的３Ｄ技术来制备连续玻璃纤维增强ＰＬＡ复合材料试样ꎬ并研究了打印温度、层厚和打印速度对复合材料力学性能的影响ꎮ结果表明ꎬ当打印层厚为０５ｍｍꎬ打印温度为２３０℃ꎬ打印速度为２ｍｍ/ｓ时ꎬ连续玻璃纤维增强ＰＬＡ复合材料的弯曲性能最佳ꎬ弯曲强度和弯曲模量分别为３２７８４ＭＰａ和２０２９３ＧＰａꎮ综合考虑复合材料的力学性能、表面质量和尺寸稳定性ꎬ连续玻璃纤维增强ＰＬＡ复合材料的最佳打印层厚为０５ｍｍꎬ适宜的打印温度范围为２００~２２０℃ꎬ打印速度范围为２~４ｍｍ/ｓꎮ
关键词:聚乳酸ꎻ连续玻璃纤维ꎻ熔融浸渍ꎻ熔融沉积ꎻ预浸丝
中图分类号:ＴＱ３２０６６＋８ 文献标识码:Ａ 文章编号:１００５－５７７０(２０２０)０１－００５１－０４ｄｏｉ:１０３９６９/ｊｉｓｓｎ１００５－５７７０２０２００１０１１
开放科学(资源服务)标识码(ＯＳＩＤ):
崔永辉１ꎬ贾明印１ꎬ薛 平１ꎬ蒋金云２ꎬ蔡建臣２ꎬ３ꎬ∗
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＧｌａｓｓＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰＬＡＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰｒｅｐａｒｅｄｂｙ
３ＤＰｒｉｎｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＢｅｉｊｉｎｇ１０００２９ꎬＣｈｉｎａꎻ
２.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＱｕｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＱｕｚｈｏｕ３２４０００ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＺｈｅｊｉａｎｇＫａｉｒｕｉＮｅｗＭａｔｅｒｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＱｕｚｈｏｕ３２４０２２ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｕｓｉｎｇｐｏｌｙｌａｃｔｉｃａｃｉｄ(ＰＬＡ)ａｓｍａｔｒｉｘａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｇｌａｓｓｆｉｂｅｒａｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔꎬｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｐｒｅｐｒｅｇｗｉｒｅｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｍｅｌｔｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ.Ｔｈｅｐｒｅｐｒｅｇｆｉｌａｍｅｎｔｗａｓｕｓｅｄａｓｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ(３Ｄ)ｐｒｉｎｔｉｎｇｃｏｎｓｕｍａｂｌｅｓｆｏｒｍｅｌｔｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ(ＦＤＭ)ｉｎ３ＤｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｆｏｒｍｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰＬＡｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｍｐｌｅｓ.Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎬｌａｙｅｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｐｒｉｎｔｉｎｇｓｐｅｅｄｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｗｈｅｎｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｐｒｉｎｔｉｎｇｌａｙｅｒｉｓ０５ｍｍꎬｔｈｅｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ２３０℃ａｎｄｔｈｅｐｒｉｎｔｉｎｇｓｐｅｅｄｉｓ２ｍｍ/ｓꎬｔｈｅｆｌｅｘｕｒａｌｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｍｏｄｕｌｕｓｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰＬＡｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｒｅ３２７８４ＭＰａａｎｄ２０２９３ＧＰａꎬｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙꎬｗｈｉｃｈａｒｅｔｈｅｂｅｓｔ.ＣｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓꎬｓｕｒｆａｃｅｑｕａｌｉｔｙａｎｄｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｐｒｉｎｔｉｎｇｌａｙｅｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰＬＡｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｉｓ０５ｍｍꎬｔｈｅｓｕｉｔａｂｌｅｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅｉｓ２００~２２０℃ꎬａｎｄｔｈｅｐｒｉｎｔｉｎｇｓｐｅｅｄｒａｎｇｅｉｓ２~４ｍｍ/ｓ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＰｏｌｙｌａｃｔｉｃＡｃｉｄꎻＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＧｌａｓｓＦｉｂｅｒꎻＭｅｌｔＩｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎꎻＭｅｌｔＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎꎻＰｒｅｐｒｅｇＦｉｌａｍｅｎｔ
ＣＵＩＹｏｎｇ￣ｈｕｉ１ꎬＪＩＡＭｉｎｇ￣ｙｉｎ１ꎬＸＵＥＰｉｎｇ１ꎬＪＩＡＮＧＪｉｎ￣ｙｕｎ２ꎬＣＡＩＪｉａｎ￣ｃｈｅｎ２ꎬ３
连续纤维增强热塑性复合材料(ＣＦＲＴＰＣ)因其具有轻质、高强、抗冲击、可回收性和良好的工艺性等优点已成为国内外复合材料的研究热点ꎬ并且已经在汽车、航空航天、海洋工程、化工等领域得到了广泛的应用[１－３]ꎮ传统的ＣＦＲＴＰＣ成型工艺主要有热压罐成型、拉挤成型、缠绕成型等ꎬ成型技术研究成熟ꎬ适用性广泛ꎬ但过程复杂ꎬ通常需要专用的模具ꎬ成本较高[４]ꎬ这也在很大程度上限制了ＣＦＲＴＰＣ
的应用和发展ꎮ３Ｄ打印技术作为一种增材制造技术ꎬ成型工艺简单ꎬ不需要模具ꎬ可以有效降低复合材料的生产成本[５]ꎮ另外ꎬ通过对３Ｄ打印过程进行路径规划ꎬ可以控制连续纤维的取向ꎬ充分发挥连续纤维在复合材料中的集成作用[６]ꎬ具有十分广阔的应用前景ꎮ美国的Ｍａｒｋｆｏｒｇｅｄ公司率先研制出可成型ＣＦＲＴＰＣ的３Ｄ打印机ꎬ并实现了商业化推广ꎬ该打印机包含两个喷头ꎬ分别进行连续纤维预浸料和纯树
∗通信作者ｃａｉ１９８６６６＠１２６ｃｏｍ
作者简介:崔永辉ꎬ男ꎬ１９９４年生ꎬ在读硕士研究生ꎬ研究方向为连续纤维增强热塑性复合材料３Ｄ打印技术研究ꎮ６４１４３８７６０＠ｑｑｃｏｍ
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塑 料 工 业２０２０年
脂长丝的打印[７]ꎮＭａｔｓｕｚａｋｉ等[８]提出了一种基于熔融沉积技术的ＣＦＲＴＰＣ成型工艺ꎬ并对打印机喷嘴进行改进ꎬ将连续碳纤维和聚乳酸通过两个入口输送到喷嘴内ꎬ在喷嘴内实现浸渍过程并同步挤出ꎬ制备的连续碳纤维增强ＰＬＡ复合材料的拉伸模量和强度相比于纯聚乳酸(ＰＬＡ)试样分别提高了５倍和３４倍ꎮＹａｎｇ等[９]同样采用这种工艺成型了连续碳纤维增强丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物(ＡＢＳ)的复合材料样品ꎮ结果表明ꎬ复合材料的弯曲强度和拉伸强的现象ꎬ对喷嘴出口处进行光滑的倒圆角处理ꎮ玻璃纤维经过预浸渍及在打印机喷嘴内的二次熔融浸渍可以保证复合材料制品中连续玻璃纤维与树脂具有更好的界面结合ꎮ１２ 主要原料
ＰＬＡ:ＲＥＶＯＤＥ１９０ꎬ浙江海正生物有限公司ꎻ玻璃纤维:３００ｔｅｘꎬ欧文斯科宁公司ꎻ马来酸酐接枝ＰＬＡ:５５６８－Ｋꎬ德国巴斯夫公司ꎮ１３ 实验仪器
度分别为１２７ＭＰａ和１４７ＭＰａꎬ其力学性能远超过纯ＡＢＳ材料ꎬ但层间剪切强度相对较低ꎬ仅为２８１ＭＰａꎮ该工艺由于打印机的喷嘴比较小ꎬ纤维在喷嘴内的浸渍时间较短ꎬ且在喷嘴内没有足够的成型压力来改善浸渍效果ꎬ不利于复合材料制品中纤维与树脂的层间结合ꎮ
针对纤维与树脂界面结合较弱的问题ꎬ本文介绍了一种采用３Ｄ打印技术制备ＣＦＲＴＰＣ的新工艺ꎬ先通过熔融浸渍工艺制备了连续玻璃纤维增强ＰＬＡ复合材料的预浸丝ꎬ并将其作为打印耗材直接用于３Ｄ打印成型ꎬ并探究了打印过程中的工艺参数对复合材料力学性能的影响ꎮ
１ 实验部分
１１ 打印原理
图１ ３Ｄ打印ＧＦ/ＰＬＡ复合材料工艺原理图Ｆｉｇ１ Ｐｒｏｃｅｓｓｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆ３ＤｐｒｉｎｔｉｎｇＧＦ/ＰＬＡ
ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ
采用一种新的３Ｄ打印成型工艺制备连续玻璃纤维增强聚乳酸复合材料(ＣＧＦ/ＰＬＡ)ꎬ可实现连续玻璃纤维在复合材料制品中的连续铺设ꎬ其３Ｄ打印工艺原理如图１所示ꎮ首先通过熔融浸渍工艺制备连续玻璃纤维预浸丝ꎬ将制备的预浸丝直接送入打印机内ꎬ也可以将预浸丝进行收卷ꎬ再用于３Ｄ打印成型ꎬ预浸丝直径为１ｍｍꎮ打印时ꎬ预浸丝中的ＰＬＡ基体在喷嘴内受热熔融ꎬ并与连续玻璃纤维以相同的挤出速率被沉积在打印台上ꎬ连续纤维的送丝运动主要通过黏结在打印台上的已成型的ＣＧＦ/ＰＬＡ的拖动来实现ꎮ另外ꎬ为减少纤维在经过喷嘴出口时被磨断
３Ｄ打印机:ＳＷ３００ꎬ深圳上维科技有限公司ꎻ单螺杆挤出机:ＳＪ－４５×２０ꎬ上海三垒塑料机械制造有限公司ꎻ万能试验机:Ｉｎｓｔｒｏｎ１１８５ꎬ美国Ｉｎｓｔｒｏｎ公司ꎻ干燥箱:ＨＣＸＸＸ８０７ꎬ和诚节能烘箱有限公司ꎻ扫描电子显微镜:Ｓ－４７００ꎬ日本Ｈｉｔａｃｈｉ公司ꎻ熔融浸渍模具:自制ꎮ１４ 性能测试
复合材料的弯曲强度按照ＧＢ/Ｔ１４４９—２００５进行测试ꎬ试样长度为７０ｍｍꎬ宽度为１０ｍｍꎬ由于在本实验中打印层厚是一个变量ꎬ因此所有的试样都被打印４层ꎬ三点弯曲试验跨距４０ｍｍꎬ采用扫描电子显微镜观察预浸丝及３Ｄ打印ＧＦ/ＰＬＡＦ复合材料试样的断面微观形貌ꎮ１５ 复合材料的制备
ａ－ＣＧＦ/ＰＬＡ预浸丝ｂ－ＣＧＦ/ＰＬＡ打印过程
ｃ－ＣＧＦ/ＰＬＡ打印试样图２ 预浸丝和３Ｄ打印过程Ｆｉｇ２ Ｐｒｅｐｒｅｇａｎｄ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ
采用熔融浸渍工艺对连续玻璃纤维进行浸渍制备ＧＦ/ＰＬＡ复合材料预浸丝ꎬ连续玻璃纤维首先由放卷装置引出ꎬ经过预热分散装置后进入熔融浸渍模具ꎮ通过单螺杆挤出机将含质量分数为３％接枝料的熔融ＰＬＡ挤入到浸渍模具内ꎬ模具内有依次高低排布的浸渍辊ꎬ纤维的上、下表面与浸渍辊交替接触ꎬ形成
第４８卷第１期崔永辉ꎬ等:连续玻璃纤维增强ＰＬＡ复合材料３Ｄ打印技术研究
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楔形区域ꎬ将熔融树脂压入纤维束内ꎬ实现浸渍过程ꎬ最后经冷却、牵引、和收卷装置制得用于３Ｄ打印成型的预浸丝ꎮ牵引速度设置为２ｍ/ｍｉｎꎬ浸渍模具温度分别设置为２１０℃ꎬ预浸丝直径为１ｍｍꎮ
利用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件对需要打印的弯曲试样进行模型绘制ꎬ并用Ｓｉｍｐｌｉｆｙ切片软件对模型进行切片处理ꎮ改变打印参数ꎬ制备相应的的复合材料试样ꎮ喷嘴直径为１２ｍｍꎬ打印温度分别设置为１９０、２００、２１０、２２０和２３０℃ꎬ打印层厚分别设置为０５、０６、０７和０８ｍｍꎬ打印速度分别设置为２、３、４、５和图４为打印速度为２ｍｍ/ｓꎬ打印温度为２３０℃时ꎬ打印层厚对ＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料弯曲强度和弯曲模量的影响ꎬ从图４中明显可以看出ꎬ随着层厚的降低ꎬ复合材料的弯曲强度和弯曲模量都呈现上升的趋势ꎬ当层厚为０５ｍｍ时ꎬＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料的弯曲强度达到最高值ꎬ为３２７８４ＭＰａꎬꎬ是纯ＰＬＡ打印试样弯曲强度(４８~５３ＭＰａ)的６２倍ꎬ这是因为３Ｄ打印是一个逐层打印的过程ꎬ因此层厚决定了成型过程中喷嘴出料口边缘与前一层已沉积部分的间距ꎬ进而影响打印过程中的成型压力ꎬ小的层厚可以６ｍｍ/ｓꎬ每组弯曲试样打印５个ꎬ并取平均值ꎮ２ 结果与讨论
２１ 复合材料形貌结构
ａ－预浸丝断面ｂ－打印试样断面
图３ ＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料断面微观形貌图Ｆｉｇ３ ＣｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｏｆＣＧＦ/ＰＬＡｃｏｍｐｏｓｉｔｅ
图３为ＧＦ/ＰＬＡ复合材料的断面微观形貌图ꎬ从图３ａ中可以看出ꎬＰＬＡ基体已经渗透进纤维单丝之间ꎬ浸渍效果较好ꎬ但纤维单丝之间仍然存在间隙ꎬ没有完全被ＰＬＡ填充ꎮ经过打印过程后ꎬ从图３ｂ中明显可以看出ꎬ树脂在纤维单丝之间填充均匀ꎬ纤维和树脂界面结合良好ꎬ孔隙率大幅降低ꎬ这主要是由于在打印过程中ꎬ预浸丝中的ＰＬＡ基体在喷嘴内再次熔融并在喷嘴的挤压作用下实现了对玻璃纤维的二次浸渍过程ꎮ
２２ 打印层厚对复合材料力学性能的影响图４ 打印层厚对ＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料弯曲性能的影响Ｆｉｇ４ Ｅｆｆｅｃｔｏｆｐｒｉｎｔｉｎｇｌａｙｅｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｎｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｏｆＣＧＦ/ＰＬＡｃｏｍｐｏｓｉｔｅ
保证喷嘴与沉积层或打印平台之间产生更大的压力ꎬ一方面可以将熔融的ＰＬＡ挤压进纤维束内ꎬ另一方面也可以加强相邻两层ＰＬＡ之间的黏结ꎬ保证ＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料具有良好的致密性ꎮ但层厚太小时ꎬ由于喷嘴与已沉积部分的复合材料之间的间隙太小容易导致连续玻璃纤维被磨断ꎬ尤其是层厚小于０５ｍｍ时ꎬ打印完整制品的成功率比较低ꎬ因此ꎬ为保证复合材料打印过程的正常进行以及良好的力学性能ꎬ３Ｄ打印ＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料的最佳层厚为０５ｍｍꎮ
２３ 打印温度对复合材料力学性能的影响
图５ 打印温度对ＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料弯曲性能的影响Ｆｉｇ５ Ｅｆｆｅｃｔｏｆｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｏｆＣＧＦ/ＰＬＡｃｏｍｐｏｓｉｔｅ
当层厚为０５ｍｍꎬ打印速度为２ｍｍ/ｓ时ꎬ打印温度对ＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料力学性能的影响如图５ꎮ从图中可以看出ꎬ升高喷嘴温度有利于提高ＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料的弯曲强度和弯曲模量ꎬ这是由于升高喷嘴温度可以降低ＰＬＡ的黏度并改善ＰＬＡ的流动性ꎬ在喷嘴的挤压作用下更容易渗入到纤维单丝之间ꎬ进而改善ＰＬＡ在纤维束中的二次浸渍效果ꎮ另外ꎬ较高的熔体温度可以加强相邻两层沉积线的树脂界面结合ꎬ从而提高ＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料的力学性
能ꎮ但随着打印温度的升高ꎬＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料的表面质量变差ꎬ如图６所示ꎬ这主要是由于更高的打印温度ꎬ需要更长的时间来充分冷却ꎬ而当打印速度
５４
塑 料 工 业２０２０年
一定时ꎬ没有完全冷却的沉积线容易被移动的喷嘴所拖动ꎬ导致沉积线翘起ꎬ影响复合材料的表面质量以及尺寸稳定性ꎮ综合考虑ꎬＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料适宜的打印温度范围为２００~２２０℃ꎮ
能和制品的表面质量ꎬ打印速度范围在２~４ｍｍ/ｓ内较为适合ꎮ
图６ 不同打印温度制备的复合材料试样
Ｆｉｇ６ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｍｐｌｅｓｐｒｅｐａｒｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ
２４ 打印速度对复合材料力学性能的影响
图７ 打印速度对ＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料弯曲性能的影响Ｆｉｇ７ Ｅｆｆｅｃｔｏｆｐｒｉｎｔｉｎｇｓｐｅｅｄｏｎｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ
ＣＧＦ/ＰＬＡｃｏｍｐｏｓｉｔｅ
层厚为０５ｍｍꎬ打印温度为２１０℃时ꎬ打印速度对ＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料力学性能的影响如图７所示ꎮ从图中可以看出随着打印速度的提高ꎬ弯曲强度显著降低ꎬ这主要是由于打印速度过高时ꎬ预浸丝在喷嘴内停留时间太短ꎬＰＬＡ不能及时的全部熔融ꎬ同时也缩短了ＰＬＡ对纤维束的浸渍时间ꎬ对ＰＬＡ和纤维单丝之间的界面结合产生不好的影响ꎬ当复合材料试样在受到外力作用时基体材料首先断裂ꎬ载荷不能传递到纤维束ꎬ导致弯曲强度低ꎮ虽然降低打印速度可以提高ＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料的力学性能ꎬ但打印速度过低时ꎬ会导致成型周期较长ꎬ对提高打印效率具有不利的影响ꎮ另外ꎬ随着打印速度的增加ꎬ喷嘴在移动过程中出丝速率加快ꎬ当打印到制品拐角处时ꎬ因来不及完全冷却被拉起ꎬ导致制品边缘不平整ꎬ且成型尺寸与模型尺寸产生差异ꎮ如图８所示ꎬ随着打印速度的提高ꎬ试样表面质量变差ꎬ且试样成型尺寸变短ꎮ综合考虑ＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料的力学性
图８ 不同打印速度制备的复合材料试样
Ｆｉｇ８ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｍｐｌｅｓｐｒｅｐａｒｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｉｎｔｉｎｇｓｐｅｅｄｓ
３ 结论
１)ＣＧＦ/ＰＬＡ的弯曲性能随打印层厚的增加而降低ꎬ随打印速度的增加而降低以及随打印温度的升高而提高ꎬ当打印层厚为０５ｍｍꎬ打印温度为２３０℃ꎬ打印速度为２ｍｍ/ｓ时ꎬ连续玻璃纤维增强ＰＬＡ复合材料的弯曲性能最佳ꎬ弯曲强度和弯曲模量分别为３２７８４ＭＰａ和２０２９３ＧＰａꎮ
２)当打印层厚太低时ꎬ打印过程中容易出现断丝的情况ꎬ当打印温度过高或打印速度过快时ꎬ由于复合材料制品冷却不及时ꎬ在制品的边缘会出现纤维
和树脂翘起的现象ꎬ导致成型制品的表面质量较差以及成型尺寸与试样模型有差异ꎮ综合考虑复合材料的力学性能和表面质量ꎬＣＧＦ/ＰＬＡ复合材料的最佳打印层厚为０５ｍｍꎬ适宜的打印温度范围为２００~２２０℃ꎬ打印速度范围为为２~４ｍｍ/ｓꎮ
参 考 文 献
[１]徐子航料热变形性能研究进展ꎬ刘东ꎬ钱群ꎬ等.[Ｊ连续纤维增强热塑性复合材
].玻璃钢/复合材料ꎬ２０１５(ＸＵ１０):ＺＨ８３－８６.
ꎬＬＩＵＤꎬＱＩＡＮＱꎬｅｔａｌ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｔｈｅｒｍａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆＰｌａｓｔ/Ｃｏｍｐｏｓꎬ２０１５(１０):８３－８６.
[２]陈东汽车上的应用ꎬ刘伟ꎬ雷绍阔[Ｊ]..上海塑料连续纤维增强热塑性复合材料在
ꎬ２０１９(１):４６－５１.ＣＨＥＮＤꎬＬＩＵＷꎬＬＥＩＳＫ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｆｉ￣ｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｎａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ[Ｊ].ＳｈａｎｇｈａｉＰｌａｓｔꎬ２０１９(１):４６－５１.[３]孙银宝料研发ꎬ与李宏福应用进ꎬ张博明展[Ｊ]..连续纤维增强热塑性复合材
航空科学技术ꎬ２０１６ꎬ２７(５):１－７.
(下转第７７页)
第４８卷第１期邹金红ꎬ等:基于某款手机后盖模具设计及工艺优化研究
７７
保压压力为１２０ＭＰａ和冷却时间为２０ｓꎮ以该工艺参数组合ꎬ利用Ｍｏｌｄｆｌｏｗ软件模拟ꎬ其结果如图８所示ꎬ体积收缩率为３６４３％、缩痕指数为１３９７％、翘曲变形量为０２５８５ｍｍꎬ满足该手机后盖产品的质量要求ꎮ
[２]杨双华.轿车雾灯座注塑工艺ＣＡＥ与成对模具设计
[Ｊ].塑料工业ꎬ２０１８ꎬ４６(３):６１－６６.
ＹＡＮＧＳＨ.ＩｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃａｒｆｏｇｌａｍｐｈｏｌｄｅｒＣＡＥａｎｄｐａｉｒｅｄｄｉｅｄｅｓｉｇｎ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｌａｓｔＩｎｄꎬ[３]李雅.基于ＵＧ和Ｍｏｌｄｆｌｏｗ的阀座注塑成型模拟及工艺
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ＬＩＹ.Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｖａｌｖｅｓｅａｔｉｎ￣ｊｅｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＵＧａｎｄＭｏｌｄｆｌｏｗ[Ｊ].Ｐｌａｓｔｉｃｓꎬ２０１９ꎬ[４]陈黎明ꎬ孙忠刚.基于Ｍｏｌｄｆｌｏｗ和ＵＧ的异型塑件注塑
模具设计[Ｊ].塑料工业ꎬ２０１８ꎬ４６(１０):５９－６２.ＣＨＥＮＬＭꎬＳＵＮＺＧ.ＤｅｓｉｇｎｏｆｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｆｏｒｓｈａｐｅｄｐｌａｓｔｉｃｐａｒｔｓｂａｓｅｄｏｎＭｏｌｄｆｌｏｗａｎｄＵＧ[Ｊ].Ｃｈｉｎａ[５]罗华云ꎬ谢晖ꎬ周智威.基于某型号移动鼠标后盖优化
及模具设计[Ｊ].塑料工业ꎬ２０１７(８):４７－５０.ＬＵＯＨＹꎬＸＩＥＨꎬＺＨＯＵＺＷ.Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｍｏｌｄｄｅｓｉｇｎｏｆｍｏｂｉｌｅｍｏｕｓｅｂａｃｋｃｏｖｅｒｂａｓｅｄｏｎａｃｅｒｔａｉｎｍｏｄｅｌ[６]李云雁ꎬ胡传荣.试验设计与数据处理[Ｍ].北京:化
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[Ｍ].Ｂｅｉｊｉｎｇ:ＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬ
(本文于２０１９－０９－２３收到)
[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｌａｓｔＩｎｄꎬ２０１７ꎬ４５(８):４７－５０.ＰｌａｓｔＩｎｄꎬ２０１８ꎬ４６(１０):５９－６２.４８(１):７４－７７.２０１８ꎬ４６(３):６１－６６.
４ 结论
１)针对某款手机后盖结构特点ꎬ利用Ｍｏｌｄｆｌｏｗ软件进行了型腔布局和浇口位置优化设计ꎬ结合优化设计进行凸模和凹模的结构设计、侧向抽芯机构设计ꎬ最后设计了模具三维总装配图ꎻ
２)选取模具表面温度、熔体温度、注射压力、保压时间、保压压力、冷却时间六个工艺参数作为评价产品的因素ꎬ以体积收缩率、缩痕指数和翘曲变形量作为评价手机后盖产品质量的指标ꎬ利用极差分析成型因素对评价指标的显著影响ꎬ并结合综合平衡法得到了最佳工艺参数组合ꎬ即模具表面温度为８０℃、熔体温度为２７０℃、注射压压力为１５０ＭＰａ、保压时间位２５ｓ、保压压力为１２０ＭＰａ和冷却时间为２０ｓꎬ并验证了该优化组合的合理性ꎮ
参 考 文 献
[１]徐春林ꎬ周建文.汽车卡扣注塑成型的模具设计及工艺
优化[Ｊ].塑料ꎬ２０１９ꎬ４８(１):９２－９６.ＸＵＣＬꎬＺＨＯＵＪＷ.
Ｍｏｌｄｄｅｓｉｇｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓ
ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓｎａｐｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇ[Ｊ].Ｐｌａｓｔｉｃｓꎬ２０１９ꎬ４８(１):９２－９６.(上接第５４页)
[６]田小永ꎬ侯章浩.连续纤维增强热塑性复合材料的３Ｄ
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ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｒｉｎｔｉｎｇｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ￣ｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｂｙｉｎ￣ｎｏｚｚｌｅｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎ[Ｊ].ＳｃｉＲｅｐꎬ２０１６ꎬ６:１－７.[９]ＹＡＮＧＣＣꎬＴＩＡＮＸＹꎬＬＩＵＴＦꎬｅｔａｌ.３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｆｏｒ
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(本文于２０１９－０９－２３收到)
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