摘 要

随着科学技术水平的提升，3D打印技术越来越受到人们的关注。本文选择熔融沉积技术（FDM），有效提高了材料的利用率和成型速率。选用聚乳酸（PLA）作为基材，利用其良好的加工性能、生物相容性、可降解性，制备一种环境友好型3D打印用线材，通过添加填料来提升聚乳酸的力学性能。本文选用芳纶纤维（PPTA）作为填料，芳纶纤维具有质轻、绝缘性好、良好的耐腐蚀性等优点，可以有效提升聚乳酸基体的力学性能。

本文实验内容共分两个部分。第一部分通过调节微型挤出机和3D打印机的加工工艺，寻求最佳的加工工艺参数。第二部分按照最佳的工艺参数，将不同质量比的PPTA与PLA混合均匀，通过挤出机挤出线材，采用FDM技术进行3D打印。通过力学性能测试和热重分析测试，研究在PPTA/PLA不同质量比下，PPTA对PLA拉伸性能和热降解性能影响，通过SEM测试，分析3D打印样件的微观形貌。主要研究结论如下：

（1）实验工艺参数：实验最佳温度为一区温度150 ℃，二区温度180 ℃，三区温度180 ℃，四区温度180 ℃，电动机最佳转速为25 rpm，引取轮的最佳速度为15 rpm。

（2）拉伸性能分析表明当PPTA/PLA质量比为0.3%时，PPTA/PLA的共混物的拉伸强度达到最大。在PPTA纤维掺量在0-0.3%之间时，PPTA/PLA的共混物的拉伸性能随着PPTA纤维掺量的增加而提升，当PPTA纤维的掺量达到0.4%和0.5%时，PPTA/PLA共混物的拉伸性能有所降低。

（3）SEM测试结果表明PPTA纤维在PLA基体中的分散性较好，相容性也较好，但是它们之间粘结较差。

（4）TG分析表明PPTA/PLA共混物的热降解温度随着PPTA含量的增加而略有升高，即PPTA纤维可以有效提高PLA的热分解温度及耐热温度。

关键词：3D打印；聚乳酸；芳纶纤维；共混

Abstract

With the improvement of science and technology, 3D printing technology more and more people's attention.In this paper, melt deposition technology (FDM) is selected to improve the utilization and forming rate of the material effectively.A kind of environment - friendly 3D printing wire was prepared by using polylactic acid (PLA) as substrate, and the mechanical properties of polylactic acid were improved by adding filler with its good processability, biocompatibility and biodegradability.In this paper, aramid fiber (PPTA) as a filler, aramid fiber with light weight, good insulation, good corrosion resistance, etc., can effectively enhance the mechanical properties of polylactic acid matrix.

The experimental content of this paper is divided into two parts.The first part of the micro-extruder and 3D printer by adjusting the processing technology, to seek the best processing parameters.The second part according to the best process parameters, the different quality ratio of PPTA and PLA mixed evenly, extruded through the extruder wire, using FDM technology for 3D printing.The effects of PPTA on the tensile properties and thermal degradation properties of PPTA / PLA were investigated by mechanical properties and thermogravimetric analysis. The microstructure of 3D samples was analyzed by SEM.The main conclusions are as follows:

(1) Experimental process parameters: The optimum temperature is 150 ℃ for one zone, 180 ℃ for the second zone, 180 ℃ for the three zones and 180 ℃ for the four zones. The optimum speed of the motor is 25 r / min,the best speed of the wheel is 15 r / min.

(2)Tensile properties analysis showed that the PPTA / PLA blends had the highest tensile strength when the PPTA / PLA mass ratio was 0.3%.When the content of PPTA fiber is between 0% and 0.3%, the tensile properties of PPTA / PLA blends increase with the increase of PPTA fiber content, When the PPTA fiber content reached 0.4% and 0.5%, the tensile properties of PPTA / PLA blends decreased.3D printing relative

to injection molding did not reduce the tensile properties of PLA, but can slightly improve its tensile properties.

(3)The results of SEM show that the dispersion of PPTA fibers in PLA matrix is better and the compatibility is better, but the bonding between them is poor.

(4)TG showed that the thermal degradation temperature of PPTA / PLA blends increased slightly with the increase of PPTA content, that is, PPTA fiber could effectively improve the thermal decomposition temperature and heat resistance temperature of PLA.

Key Words：3D printing；polylactic acid；PPTA fiber；polyblend

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1 章 绪论 1

1.1 3D打印技术的概念 1

1.2 3D打印工作的原理 1

1.2.1 三维建模 2

1.2.2 分层切割 2

1.2.3 打印喷涂 2

1.2.4 后期处理 2

1.3 3D打印技术的分类 2

1.3.1 熔融沉积成形技术（FDM） 2

1.3.2 光固化立体成形技术（SLA） 3

1.3.3 分层实体制造技术（LOM） 3

1.3.4 激光选区熔化（SLM） 3

1.3.5 电子束选区熔化（EBM） 3

1.3.6 金属激光熔融沉积（LDMD） 4

1.3.7 电子束熔丝沉积成形技术（EBF） 4

1.3.8 三维喷涂粘成形技术（3DP） 4

1.4 基体材料聚乳酸（PLA）的简述 4

1.4.1 聚乳酸的优点 5

1.4.2 聚乳酸的缺点 5

1.5 填料PPTA纤维的简述 5

1.5.1 PPTA纤维的优点 6

1.5.1 PPTA纤维的缺点 6

1.6 3D打印技术的研究现状 6

1.6.1 国外技术研究现状 7

1.6.2 国内技术研究现状 7

1.6.3 3D打印技术的展望 8

1.7 本课题研究的目的和意义 9

第2章 实验部分 10

2.1 引言 10

2.2 实验原料与设备 10

2.2.1 实验原料 10

2.2.2 实验设备 10

2.3 实验工艺参数的确定 11

2.3.1 微型锥形双螺杆挤出机实验温度的确定 11

2.3.2 微型锥形双螺杆挤出机实验电动机转速的确定 12

2.3.3 引取轮速度的确定 13

2.4 打印线材的制备 13

2.4.1 配制PPTA纤维与PLA不同质量比的混合物 13

2.4.2 3D打印线材的制备 14

2.5 线材的3D打印 14

2.5.1 3D打印参数的设定 14

2.5.3 3D打印实验 14

2.6 PLA的注塑成型 15

2.7 性能测试 15

2.7.1 拉伸性能的测试 15

2.7.2 扫描电子显微镜（SEM）分析 15

2.7.3 热重（TG）分析测试 15

2.8 性能分析 16

2.8.1 拉伸性能分析 16

2.8.2 PPTA/PLA样品截面的形态分析 17

2.8.3 热重（TG）分析 18

第3章 结论 20

参考文献 21

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 3D打印技术的概念

3D打印（3D printing）技术是一种新型快速成形技术，也被称作是增材制造技术^[1,2]，越来越受到公众的关注，其应用于3D打印机，与传统打印机只有纸张墨水两种材料的不同的是，它有卷丝状、粉末状等可粘合的原材料，运用计算机技术，先在电脑上设计出模型零件，再通过计算机的控制进行逐层打印叠加，实现零件从无到有的过程，最终可以得到所需求的立体模型零件。3D打印允许创建可以大规模定制的复杂几何形状，因为没有模具或模具需求和设计概念，通过直接数字化制造转化为产品，非常适合成批量生产相同的商品。