在“超聲波振動對FDM 3D打印機打印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FDM 3D打印機的影響。他們預(yù)測FDM 3D打印機作為制造業(yè)中的一個重要工具，在受到材料、精度、表面處理和零件質(zhì)量的不斷發(fā)展未來的潛力將會變得更大。

　　通過在FDM 3D打印過程中使用34.4 kHz超聲波振動，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)機械工程系研究團隊表示“這種層間粘合強度的增加歸因于聚合物蠕變的增加，這是由于超聲波振動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。”

　　實驗室實現(xiàn)的裝置，用于將超聲波振動結(jié)合到FDM 3D打印機 - 熱塑性聚合物的沉積中

　　(a)實際裝置的攝影。 (b)概念草圖。

　　該團隊解釋說，有幾種不同的方法用于加強層間粘合。一個是通過提高溫度依賴擴散性，在打印過程中或打印后增加更多的熱量已被證明是有效的，另一個是同時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)致層間強度的類似改善”，通過放松3D打印軌道中留下的聚合物鏈來實現(xiàn)。”

　　超聲波振動允許聚合物的松弛和擴散，產(chǎn)生更好的界面粘合，并且可能導(dǎo)致具有各向同性機械性能的部件。測試發(fā)生在MakerGear M3上，團隊為包含振動而定制。使用40kHz壓電晶體螺栓夾緊換能器產(chǎn)生振動，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，減少從加熱器塊到換能器的熱傳遞，”研究人員說。 “將熱端部分安裝在打印頭組件上，打印頭的總共振頻率測量為34.4 kHz�！�

　　“將頻率可調(diào)的超聲波信號發(fā)生器調(diào)節(jié)到打印頭的共振頻率并連接到換能器，以提供激勵信號，使噴嘴表面以測量的頻率振動。通過在掃描發(fā)電機頻率的同時測量噴嘴表面處的最大振動幅度來確定該共振頻率。當在遠離測量的諧振的頻率下激勵時，換能器輸出反而在整個換能器→連桿→ 熱端組件中作為熱量消散。

　　用于界面粘合強度測試的雙層單軌道試樣的Trouser剝離試驗

　　(a)概念草圖，(b)印刷雙軌道試樣的實際剝離試驗。

　　研究人員使用ASTM F88剝離測試來測量相互關(guān)聯(lián)的剝離和能量，該系統(tǒng)以評估已密封的柔性帶之間的粘合性而聞名。該測試與此相關(guān)，因為主題也是靈活的。

　　研究結(jié)果顯示粘附力保持一致。然而，當軌道寬度與噴嘴直徑比從0.74變化到1.47時，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)是由從噴嘴行進的水平流動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來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，”該團隊表示�！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散性，這有助于增加層間粘合力，因為聚合物在界面上的蠕動增加�！�

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

　　(a)1.0毫米寬的示例剝離測試的力 - 間隔距離曲線(b)對于控制和超聲振動輔助的FDM 3D打印條件，界面粘合強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，在對照和超聲條件下測量的四個試樣的粘合強度的標準偏差。

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