谷研究 l 聚合物3D打印新工艺-等离子体技术HelixJet

| 3DScienceValley · 2019/08/31

聚合物3D打印是目前应用最广泛的3D打印材料，在ASTM 52900:2015所归纳的3D打印工艺中，粘结剂喷射、材料喷射、粉末床选区激光烧结（SLS）、光聚合等多种不同工艺都可用于制造聚合物材料，包括热塑性材料和热固性材料。

根据3D科学谷的市场研究，近日刊登于Plasma Processes and Polymers 期刊中的一篇研究论文，提出了一种可用于聚合物材料3D打印的新工艺-等离子体技术HelixJet，论文题目为”HelixJet: An innovative plasma source for next‐generation additive manufacturing (3D printing)”

来源：Plasma Processes and Polymers

有益于3D打印部件的机械性能

根据研究论文，等离子体技术已经应用到目前的3D打印工艺中，例如用来改善粉末床激光烧结3D打印部件的表面质量。此外，还能够用于对SLS 3D打印材料进行预处理，从而将降低孔隙率。

聚合物等离子喷涂技术也可以被认为是一种能量沉积（DED）3D打印工艺，该技术具有以相对高的沉积速率处理大的构建体积的能力，原料可以直接被沉积在现有组件上，并有可能改变构件内的化学成分以生产功能梯度材料（参见ASTM F3187-16）。但根据ASTM F3187-16，简单的涂层沉积系统不被认为是DED 工艺，因为后者还必须具有根据CAD文件逐层构建的能力。

研究论文指出，聚酰胺11（PA 11）材料可以通过等离子弧源喷涂到涂层中，但需要高电弧功率（30kW）来熔化颗粒，由于材料需要热降解，将导致原料重量出现显著损失。熔化和热降解均显示出强烈的尺寸效应，导致产生未熔化的颗粒、裂缝和孔隙等主要缺陷。

相关研究发现，尺寸在40和60μm之间的PA11颗粒能够实现最佳平衡，但与块状材料相比，等离子喷涂的聚酰胺涂层表现出较低的拉伸强度和脆性的应力，在激光烧结部件中也可以观察到这种脆性行为。即使对于给定的粒度，由于电弧等离子体射流内存在大的温度梯度，只能在某些角度的原料注入下产生令人满意的涂层。

这对等离子技术提出了两个进一步的要求：（a）提供明确定义的横向沉积点（像素）；（b）沿喷射轴的温度分布的能力，避免后续沉积材料的热降解现象。

研究团队基于在非热气压等离子体射流中观察到的自组织现象产生了新的想法, 提出了新等离子体射流HelixJet，它具有双螺旋电极。为了对所提出的原理进行证明，研究团队用 HelixJet 技术制造了SLS 3D打印工艺常用的聚酰胺12（PA 12）材料。

PA 12 是SLS 3D打印中常用的聚合物，该材料具有机械性能和有利于烧结热特性，但是在部件性能和工艺的整体效率方面仍存在需要克服的问题。虽然SLS 3D打印的PA 12部件与注塑件性能相近，但在某些情况下存在不足之处，例如延展性低。有的研究认为，孔隙度是导致SLS 3D打印部件变化的原因，并尝试解决这类问题，包括对烧结前的粉末进行等离子体处理，但这种方式还没有被广泛采用。研究论文总结了其中的原因：（a）等离子体粉末处理中产生的表面官能化程度在数小时内显著降低；（b）为必须避免粉末的降解，时间和温度必须进行严格控制。

研究团队在论文中表示，即使没有等离子体预处理，由不同的时间-温度循环引起的粉末降解变化，也被认为是引起SLS 3D打印部件性质变化的原因。在SLS 3D打印工艺中，打印前需要将基础粉末预热至略低于熔化温度的温度，以防止部件“翘曲”。但这一过程中，未烧结粉末的分子量和结晶度也将发生变化，预热增加了SLS 3D打印工艺的时间、成本以及复杂性。基于以上原因，研究团队表示，在需要的地方直接沉积聚合物粉末将具有明显的益处。

实验中测试的粉末材料

研究团队选择了三种市场中常见的SLS 3D打印PA12 粉末：PA2201，PA2200和PA2221，均来自EOS 公司。研究团队使用PA 12的默认参数在SLS 3D打印设备EOS Formiga P100 中生产零件，在宏观和微观尺度上呈现出一系列具有不同有序度的形态。

用于SLS 3D打印的聚酰胺粉末
通过扫描电子显微镜获得的低(b)和高放大率(c)下的表面形态

等离子源和粉末加工

HelixJet是一种大气压电容耦合等离子体源，其射频（RF）功率应用于两个双螺旋电极。电极放置在由工作气体（氩气）供给的石英管外部。加工PA12 粉末材料所用的等离子体源和沉积条件规范

研究团队将单次粉末（10mg）注入等离子中，粉末颗粒尺寸与气体的速度决定了颗粒在等离子体中的停留时间，在实验中，颗粒停留的时间在50ms的范围内。在沉积单剂量后放电被立即关闭，避免等离子体的长时间暴露，该设置实现了 200mg/s 的处理速度。

研究团队还对HelixJet的均匀性和电场模拟、热特性、等离子体3D打印PA 12 材料的样品形态特征，以及样品化学表征进行了分析。

最终得出研究结论为，使用新型HelixJet等离子体源在大气压下，以200mg / s的沉积速率，进行PA12粉末3D打印，沉积物中得到部分熔化的粉末和强交联的颗粒。通过层流气流，排出稳定性和径向和轴向均匀的等离子体，实现粉末粒子束在射流中心的限制。这些条件导致在毫米长度尺度上的单剂量沉积物的高斯厚度分布，其中化学和形态结构的组合预期有益于3D打印部件的机械性能。

在可行性实验和建模的基础上，使用HelixJet将等离子体制造工艺升级到1 cm 3 / min的速度是可能的，但需要引入连续粉末进料系统和计算机控制等其他技术，从而进一步将HelixJet转换为一真正的增材制造-3D打印技术。

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