如何通過(guò)熱分析優(yōu)化 3D 打印材料？

3D 打印也稱為增材制造，許多行業(yè)都將其視為一種多功能制造技術(shù)。3D 打印可以實(shí)現(xiàn)快速成型和按需打印服務(wù)，以避免批量運(yùn)行帶來(lái)的潛在浪費(fèi)。

3D 打印擁有創(chuàng)造復(fù)雜形狀的能力，被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)。許多標(biāo)準(zhǔn)制造方法無(wú)法在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生空腔和底切。添加模式可以輕松創(chuàng)造各類形狀。

3D 打印目前已擴(kuò)展到一系列材料，包括生物相容性聚合物和各類金屬。3D 打印甚至被用于醫(yī)療保健等領(lǐng)域，用于定制打印醫(yī)療設(shè)備。

為了優(yōu)化 3D 打印材料，制造商需要仔細(xì)考慮最終材料的機(jī)械和熱性能。雖然 3D 打印部件往往很輕，而且聚合物部件的正確組合可以擁有與金屬相似的抗拉強(qiáng)度，但克服增材制造部件較低的機(jī)械和熱性能是最大的挑戰(zhàn)之一。

3D 打印產(chǎn)品性能的工藝優(yōu)化

了解擠壓過(guò)程如何影響打印材料的最終性能是一個(gè)非常熱門的研究領(lǐng)域。汽車應(yīng)用對(duì)材料的拉伸和熱性能要求最高。

幸好，目前有許多含有碳纖維、玻璃纖維和凱夫拉纖維的熱塑性聚合物基質(zhì)可用于 3D 打印部件，并能夠在汽車應(yīng)用中充分實(shí)現(xiàn)高性能。

在 3D 打印過(guò)程中，要打印的基材被熔化，然后分層沉積以創(chuàng)建最終對(duì)象。在此過(guò)程中有多個(gè)參數(shù)可以優(yōu)化，例如聚合物床層和噴嘴溫度以及層間固化時(shí)間。

3D 打印有多種方法，包括選擇性激光燒結(jié)、生物打印和熔融沉積建模。熔融沉積建模是的方法。

玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度是選擇正確溫度擠壓非晶態(tài)聚合物的必要信息。對(duì)于半結(jié)晶聚合物，其熔化溫度是應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的數(shù)值。結(jié)晶度強(qiáng)烈影響聚合物的機(jī)械性能。

許多聚合物用紫外線固化，紫外線在聚合物材料中產(chǎn)生自由基，作為最終聚合物生產(chǎn)中交聯(lián)過(guò)程的引發(fā)劑。交聯(lián)程度越高，材料的硬度和強(qiáng)度就越高。通過(guò)改變樣品暴露在紫外線下的時(shí)間長(zhǎng)度可以影響交聯(lián)的材料強(qiáng)度。

溫度和固化時(shí)間都會(huì)影響聚合物在材料中的分子結(jié)構(gòu)及其性能。因此，為了優(yōu)化這些參數(shù)并探索其對(duì)最終材料的影響，材料設(shè)計(jì)師使用對(duì)聚合物性能細(xì)節(jié)敏感的測(cè)試技術(shù)。

3D 打印材料的熱分析

用于研究擠壓過(guò)程對(duì)最終材料性能影響的主要熱分析工具包括熱重分析 (TGA)、差示掃描量熱分析 (DSC)、熱機(jī)械分析 (TMA)和動(dòng)態(tài)機(jī)械分析(DMA)。3 每種技術(shù)都提供一些互補(bǔ)信息，可以將這些信息結(jié)合起來(lái)，以便人們對(duì)打印材料的性能有更深的了解。

熱重分析測(cè)量材料重量隨溫度或時(shí)間變化的幅度和變化率。TGA 對(duì)于了解表征擠壓的影響非常重要，因?yàn)樵S多材料在加熱時(shí)會(huì)發(fā)生氧化或分解，從而導(dǎo)致重量變化。熱重分析是確定樣品在擠壓過(guò)程中是否發(fā)生降解的最佳方法之一。

差示掃描量熱法 是一種強(qiáng)大的技術(shù)，用于測(cè)量材料放熱和吸熱轉(zhuǎn)變與溫度的函數(shù)關(guān)系 – 擠壓過(guò)程的常見(jiàn)關(guān)注點(diǎn)包括玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度、熔化溫度和材料的熱容量。

差示掃描量熱法和熱重分析是用于了解擠壓影響的強(qiáng)大而互補(bǔ)的技術(shù)組合。這些技術(shù)可用于分析聚合物在擠出溫度下的熱性能。

測(cè)量熱膨脹系數(shù) (CTE) 和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的熱機(jī)械分析是另一種配套工藝。由于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度取決于材料的熱歷史，熱機(jī)械分析可以用于檢查擠壓過(guò)程不會(huì)給成品帶來(lái)任何不必要的力學(xué)行為。  此外，增強(qiáng)材料在 CTE 中可能顯示出各向異性，這取決于相對(duì)于纖維方向的測(cè)量方向。

動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析也被廣泛用于材料工程，用于分析聚合物復(fù)合材料，因?yàn)槠淇梢越沂静牧显趧?dòng)態(tài)負(fù)載條件下的行為信息。 DMA 對(duì)于表征 3D 打印成品部件特別重要，反映了不同的配方和加工方法如何影響最終使用性能。

選擇合適的 3D 打印熱分析技術(shù)

大多數(shù) 3D 打印生產(chǎn)線依賴于上述技術(shù)的組合。TA Instruments 是全球添加物制造商的儀器供應(yīng)商。

我們致力于幫助各行各業(yè)的用戶找到適合其 3D 打印目標(biāo)的儀器和方法。我們提供一系列行業(yè)的熱分析儀器，這些儀器的設(shè)計(jì)易于使用且效率高。TA Instruments 的綜合熱分析產(chǎn)品系列擁有所有必要的設(shè)備，可以表征基板的熱性能和機(jī)械性能。

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