增材制造中TPU材料的性能表征

2020-12-02

摘要:增材制造中材料性能影響到其在3D打印中加工的性能以及終產品的質量，TPU是*可用于SLS工藝的柔性材料之一。本文從粉末流動性，粒度粒形以及比表面積等各項性能來表征TPU材料的性能，用于評估其對于終加工性能的影響。

關鍵詞：增材制造；性能表征；粉末流動性；粒度粒形表征；比表面積表征

3D打印，又稱增材制造，正從快速原型制造發展為大規模生產。由于其性質、原料的不同，適用于許多行業和應用。

增材制造是一個*數字化的生產過程，使無工具制造物體成為可能。與傳統制造工藝相比減少了浪費。憑借數字化生產過程，公司可以分散制造業務，在離客戶更近的地方生產三維產品。這使得他們可以更快地將產品推向市場，同時減少運輸成本。

柔性TPU 3D打印是一種柔性材料3D打印技術，是3D打印個性化加工制造業中令人興奮的領域之一。原因在于，3D打印的優點加上TPU的柔性和韌性可以滿足用戶更多的需求。通過SLS（選擇性激光燒結）的3D打印工藝可實現柔性TPU材料的快速成型。選擇性激光燒結 (SLS) 是一種常用的打印技術，使用細粉作為打印介質，一次打印一層三維部件。以激光為熱源燒結細粉，使得材料粉末熔合到一起。

TPU(Thermoplastic polyurethanes)名稱為熱塑性聚氨酯彈性體橡膠，聚氨酯彈性體是彈性體中比較特殊的一大類，聚氨酯彈性體的硬度范圍很寬，性能范圍很寬，所以聚氨酯彈性體是介于橡膠和塑料的一類高分子材料。

TPU具有zhuo越的高張力、高拉力、強韌和耐老化的特性，是一種成熟的環保材料。目前，TPU已廣泛應用于醫療衛生、電子電器、工業及體育等方面，其具有其它塑料材料所*的強度高、韌性好等特性，同時還具有高防水性、透濕性、抗紫外線以及能量釋放等許多優異的功能。

TPU 粉末，是*可用于 SLS 工藝的柔性材料之一。用其制造出的外部彈簧，以高彈性和高耐磨性著稱。TPU粉末比通常用于SLS的材料更具優勢，而其他材料往往不那么堅韌，富有彈性。

而對于增材制造中TPU材料的性能，毫無疑問必將影響到其在3D打印中加工的性能以及終產品的質量。下面我們將從幾個方面來表征TPU粉末的性能，包括粉末流動性，粒度粒形以及比表面積等各項性能，我們將以三個TPU粉末材料為例。

一．粉末流動性比較

粉末的流動性是粉末的一種宏觀表現，很多時候大家都是借助一些比較簡單粗糙的儀器或者方法進行表征，但科學地性能表征才能得到更穩定的數據并給與生產加工更加科學的指導。

下面我們將通過Granutools的三款型號的儀器Drum,Pack和Heap從粉末流動性，振實密度和休止角三個角度來表征三個樣品間的差異。

我們所測試的樣品為TPU-A,B,C三個粉體樣品，三個粉體樣品從外觀來看都為白色粉末，有不同程度的團聚現象。

（1）TPU-A，B，C三個樣品采用Granutools Drum所測隨轉動速度變化流動角度和內聚指數之間的對比：

粉末流動性越好，流動角度相對更?。‵low Angle），內聚指數小。從以上可以看出樣品A隨速度增加流動角度增加明顯，內聚指數增加明顯，屬于比較明顯的剪切增稠的粉末。而粉末B隨流動速度增加兩個指數都相對穩定，C的內聚指數也會隨著速度增加增大的幅度也大于B。

對于粉末流動性，Granutools Drum可以根據Cohesion的值給出參考的流動性能指導。通過這個參數也可以了解粉末隨流動速度的流動性評價，而通過Granutool Drum的粉末流動性測試，我們可以用來優化3D打印中鋪粉速度。

(2)我們還可以通過Granutools Pack來表征粉末的振實密度與流動性之間的關系。對于性能良好的粉體，具有高聚集率，聚集率變化小，以及高速動態壓實(low n1/2)等特點。

我們來看下三個粉末的振實過程對比：

對比來看，TPU-B的實驗壓實動力學參數小，豪斯納比指數低，相對流動性是三個粉體中 好的，同時TPU-B具有高的振實密度值，而我們也通過真密度儀器測試過三款粉末的真密度值是一致的。

(3)而對于粉末來說，休止角是檢驗粉體流動性好壞簡便的方法。休止角越小，說明摩擦力越小，流動性越好。而休止角也可以通過Granutools Heap來測試：

而對于休止角和粉末流動性關系的指導建議如下：

從以上可以看出，樣品A和B的休止角比較接近，而 C是流動性比較差的。

二．粉末的粒度分布和粒形比較

我們都知道粉末的很多宏觀性能其實都會受到顆粒粒度大小及其分布，以及顆粒形狀的影響，包括以上的粉末流動性也一定是和顆粒的粒度分布和形貌有一定的關系。

下面我們將通過Microtrac的 Sync粒度粒形分析儀來評價三個粉末之間的差異。

粒度分布以及顆粒形狀統計如下：

從數據來看，TPU-A粒度大，但顆粒形狀不規則；而TPU-B粒度分布相對比較寬，會有一定的大小顆粒的配比，同時顆粒形狀相對更接近球形；TPU-C粉末細，形狀也比較接近球形。

理論上來說，顆粒越大流動性會越好，但受到顆粒形狀的影響，三款粉末中TPU-B的因為形狀更為規則，所以表現出流動性更佳。