实验用的PCL的分子量较高,Mn=80000,纯PCL的打印温度较低时,会缠绕齿轮无法打印;打印温度较高时,PCL材料从打印机喷头挤出后无法快速凝固,不能沉积在模型指定位置。虽然降低打印速率,有利于PCL材料在平台沉积,但是打印速率太低没有实际意义。经过对PCL和购买的PLA打印材料的流变性能和热性能分析,我们发现,低温打印过程中,PCL缠绕齿轮的原因是PCL熔体的粘度太高,挤出压力过高,而PCL强度降低,韧性好,从而缠绕在齿轮上。高温打印过程中,PCL材料凝固较慢的原因是由于PCL的熔点太低(-56.5°C),结晶温度为18°C,而打印温度过高,因此凝固过程比较慢。
根据分析结果,我们提出两个改进思路。(1)对打印平台进行改进,实现降温。一般的打印平台都是只能加热升温。实验结果表明,降温确实能够提高PCL凝固速率,但是随着打印层高的增加,低温打印平台的作用减弱,从喷头挤出的PCL在上层凝固速率降低,出现结构缺陷。(2)对PCL改性,降低PCL粘度,降低PCL的挤出压力,从而降低PCL的打印温度,促进PCL熔体快速凝固从而沉积。
从分析测试可以知道,PCL材料的熔体粘度很高,同时强度较低,必须改性降低粘度才能通过熔融沉积法打印。为了避免这个问题,目前很多文献报道采用生物绘图技术(如3D Bioplotter),将PCL溶于有机溶剂,通过有机溶剂挥发实现固化;或者采用具有压力泵辅助挤出的3D打印机,在低温下打印(如100°C)。这两者方法需要的3D打印设备都比较复杂昂贵,难以普及推广,并且生物绘图技术还存在有机溶剂挥发的问题,不适合向大众推广。而PLA的流动性高,毛细管流变仪的挤出压力低,因此,我们通过PLA与PCL共混,提高PCL的熔体流动性,降低熔体从喷头的挤出压力。同时,PLA是刚性材料,加入后能提髙PCL的强度,避免线材在进料过程中弯曲缠绕齿轮。研究了PLA的含量对PCL各项性能的影响,以期制备能够低温打印的PCL材料。
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