使用薄殼材料的各向同性 3D 打印

供稿人：張明杰 田小永 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

韓國科學技術高等研究院機械工程系的SanhaKim等人在為了突破傳統(tǒng)材料擠出成型3D打印產(chǎn)物的各向異性的問題，特別是針對層間結合的強度，提出了薄殼打印，注芯加固的方法，簡稱殼芯打印。

該技術通過使用擠出成形工藝打印熱塑性材料構成測試零件的外殼部分，并預留兩個小孔，在外殼打印完成后將熱固性的環(huán)氧樹脂通過小孔注入其中，在經(jīng)過一系列的固化流程后完成整個成型過程。值得注意的是，在向外殼中注入環(huán)氧樹脂之前需要外殼內部使用丙酮進行拋光處理，目的是提升截面結合強度。

圖 1 殼芯打印成形示意圖

進過上述方法制造的標準拉伸件的各向拉伸性能的壁紙有顯著提高，達到0.7以上，但是和各向同性的要求仍有較大差別。為此該團隊通過繼續(xù)研究截面殼芯的面積比以及內部填充的環(huán)氧樹脂材料的本身拉伸性能等因素對拉伸件性能的影響，得到了各向同性且拉伸性能比肩同等殼體材料注塑成型的零件。如下圖所示，拉伸性能較好的core B 和core C 兩種芯體材料在截面殼芯面積達到0.8以上時，都能夠得到接近1的各向性能比值，表明了該零件的各向同性。

圖 2 不同芯體材料達到各向同性時截面的殼芯面積比

除此之外，該方法因為只需打印零件的外形殼體，完成后穿插一步內部環(huán)氧樹脂的澆筑和固化，其所用時間較零件整體通過擠出成形3D打印所使用的時間有明顯提升。

綜上，該團隊提出的殼芯打印方法能夠得到各向同性的3D打印產(chǎn)物，并且其成型速度也更為迅速，能夠充分彌補3D的打印成形速度慢，層間結合強度差的缺點。

參考文獻：
Jihyuck Son, Seounghee Yun, Kundo Park, Seunghwa Ryu, Sanha Kim, Isotropic 3D printing using material extrusion of thin shell and post-casting of reinforcement core,2022. https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102974