在“超聲波振動(dòng)對(duì)FDM 3D打印機(jī)打印ABS中間層粘合力的影響”中，研究人員：Alireza Tofangchi、Pu Han、Julio Izquierdo、Adithya Iyengar和Keng Hsu研究了不同打印方法對(duì)FDM 3D打印機(jī)的影響。他們預(yù)測(cè)FDM 3D打印機(jī)作為制造業(yè)中的一個(gè)重要工具，在受到材料、精度、表面處理和零件質(zhì)量的不斷發(fā)展未來(lái)的潛力將會(huì)變得更大。

　　通過(guò)在FDM 3D打印過(guò)程中使用34.4 kHz超聲波振動(dòng)，研究人員發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)打印工藝相比，ABS層粘合力增加了10%。路易斯維爾大學(xué)機(jī)械工程系研究團(tuán)隊(duì)表示“這種層間粘合強(qiáng)度的增加歸因于聚合物蠕變的增加，這是由于超聲波振動(dòng)引起的聚合物鏈從界面區(qū)域的二次相互作用松弛引起的。”

　　實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的裝置，用于將超聲波振動(dòng)結(jié)合到FDM 3D打印機(jī) - 熱塑性聚合物的沉積中

　　(a)實(shí)際裝置的攝影。 (b)概念草圖。

　　該團(tuán)隊(duì)解釋說(shuō)，有幾種不同的方法用于加強(qiáng)層間粘合。一個(gè)是通過(guò)提高溫度依賴擴(kuò)散性，在打印過(guò)程中或打印后增加更多的熱量已被證明是有效的，另一個(gè)是同時(shí)在每層沉積之前加入紅外線和激光加熱也證明可以提高強(qiáng)度。研究人員還指出，“減少聚合物鏈的回轉(zhuǎn)半徑也可以導(dǎo)致層間強(qiáng)度的類(lèi)似改善”，通過(guò)放松3D打印軌道中留下的聚合物鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)。”

　　超聲波振動(dòng)允許聚合物的松弛和擴(kuò)散，產(chǎn)生更好的界面粘合，并且可能導(dǎo)致具有各向同性機(jī)械性能的部件。測(cè)試發(fā)生在MakerGear M3上，團(tuán)隊(duì)為包含振動(dòng)而定制。使用40kHz壓電晶體螺栓夾緊換能器產(chǎn)生振動(dòng)，額定功率為25W。使用連桿和螺紋緊固件將加熱器連接到加熱器塊。

　　“使用連桿可以耦合換能器產(chǎn)生的振動(dòng)，減少?gòu)募訜崞鲏K到換能器的熱傳遞，”研究人員說(shuō)。 “將熱端部分安裝在打印頭組件上，打印頭的總共振頻率測(cè)量為34.4 kHz。”

　　“將頻率可調(diào)的超聲波信號(hào)發(fā)生器調(diào)節(jié)到打印頭的共振頻率并連接到換能器，以提供激勵(lì)信號(hào)，使噴嘴表面以測(cè)量的頻率振動(dòng)。通過(guò)在掃描發(fā)電機(jī)頻率的同時(shí)測(cè)量噴嘴表面處的最大振動(dòng)幅度來(lái)確定該共振頻率。當(dāng)在遠(yuǎn)離測(cè)量的諧振的頻率下激勵(lì)時(shí)，換能器輸出反而在整個(gè)換能器→連桿→ 熱端組件中作為熱量消散。

　　用于界面粘合強(qiáng)度測(cè)試的雙層單軌道試樣的Trouser剝離試驗(yàn)

　　(a)概念草圖，(b)印刷雙軌道試樣的實(shí)際剝離試驗(yàn)。

　　研究人員使用ASTM F88剝離測(cè)試來(lái)測(cè)量相互關(guān)聯(lián)的剝離和能量，該系統(tǒng)以評(píng)估已密封的柔性帶之間的粘合性而聞名。該測(cè)試與此相關(guān)，因?yàn)橹黝}也是靈活的。

　　研究結(jié)果顯示粘附力保持一致。然而，當(dāng)軌道寬度與噴嘴直徑比從0.74變化到1.47時(shí)，粘附力增加但隨后在1.2處平衡并且在較大比率下變得更低。這種反應(yīng)是由從噴嘴行進(jìn)的水平流動(dòng)的聚合物流中的剪切力引起的。隨著聚合物的流速和速度的增加，寬幅增加。

　　“這種流速的增加反過(guò)來(lái)增加了聚合物在軌道頂部和底部表面附近所經(jīng)歷的局部剪切應(yīng)力，并導(dǎo)致這些區(qū)域中聚合物鏈的解纏結(jié)量增加，”該團(tuán)隊(duì)表示�！斑@種鏈排列的增加(或聚合物鏈纏結(jié)的減少)可以增加聚合物在正交方向上的擴(kuò)散性，這有助于增加層間粘合力，因?yàn)榫酆衔镌诮缑嫔系娜鋭?dòng)增加�！�

　　擴(kuò)散性可能是由聚合物鏈解纏結(jié)引起的，這也會(huì)增加鏈松弛，從而抵消聚合物打印臺(tái)階的增加。研究人員總結(jié)說(shuō)：“與超聲波振動(dòng)相關(guān)的影響歸因于超聲引起的聚合物鏈從次級(jí)相互作用中的松弛增加，以及由于拉伸狀態(tài)引起的蠕動(dòng)和纏結(jié)的增加�！�

　　(a)1.0毫米寬的示例剝離測(cè)試的力 - 間隔距離曲線(b)對(duì)于控制和超聲振動(dòng)輔助的FDM 3D打印條件，界面粘合強(qiáng)度依賴于印刷軌道的寬度。 誤差棒表示在給定的軌道寬度下，在對(duì)照和超聲條件下測(cè)量的四個(gè)試樣的粘合強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

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