如何通過熱分析優化 3D 打印材料？

3D 打印也稱為增材制造，許多行業都將其視為一種多功能制造技術。3D 打印可以實現快速成型和按需打印服務，以避免批量運行帶來的潛在浪費。

3D 打印擁有創造復雜形狀的能力，被廣泛應用于制造業。許多標準制造方法無法在結構中產生空腔和底切。添加模式可以輕松創造各類形狀。

3D 打印目前已擴展到一系列材料，包括生物相容性聚合物和各類金屬。3D 打印甚至被用于醫療保健等領域，用于定制打印醫療設備。

為了優化 3D 打印材料，制造商需要仔細考慮最終材料的機械和熱性能。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度，但克服增材制造部件較低的機械和熱性能是最大的挑戰之一。

3D 打印產品性能的工藝優化

了解擠壓過程如何影響打印材料的最終性能是一個非常熱門的研究領域。汽車應用對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可用于 3D 打印部件，并能夠在汽車應用中充分實現高性能。

在 3D 打印過程中，要打印的基材被熔化，然后分層沉積以創建最終對象。在此過程中有多個參數可以優化，例如聚合物床層和噴嘴溫度以及層間固化時間。

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

玻璃態轉化溫度是選擇正確溫度擠壓非晶態聚合物的必要信息。對于半結晶聚合物，其熔化溫度是應重點關注的數值。結晶度強烈影響聚合物的機械性能。

許多聚合物用紫外線固化，紫外線在聚合物材料中產生自由基，作為最終聚合物生產中交聯過程的引發劑。交聯程度越高，材料的硬度和強度就越高。通過改變樣品暴露在紫外線下的時間長度可以影響交聯的材料強度。

溫度和固化時間都會影響聚合物在材料中的分子結構及其性能。因此，為了優化這些參數并探索其對最終材料的影響，材料設計師使用對聚合物性能細節敏感的測試技術。

3D 打印材料的熱分析

用于研究擠壓過程對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)、熱機械分析 (TMA)和動態機械分析(DMA)。3 每種技術都提供一些互補信息，可以將這些信息結合起來，以便人們對打印材料的性能有更深的了解。

熱重分析測量材料重量隨溫度或時間變化的幅度和變化率。TGA 對于了解表征擠壓的影響非常重要，因為許多材料在加熱時會發生氧化或分解，從而導致重量變化。熱重分析是確定樣品在擠壓過程中是否發生降解的最佳方法之一。

差示掃描量熱法 是一種強大的技術，用于測量材料放熱和吸熱轉變與溫度的函數關系 – 擠壓過程的常見關注點包括玻璃態轉化溫度、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大而互補的技術組合。這些技術可用于分析聚合物在擠出溫度下的熱性能。

測量熱膨脹系數 (CTE) 和玻璃化轉變溫度的熱機械分析是另一種配套工藝。由于玻璃態轉化溫度取決于材料的熱歷史，熱機械分析可以用于檢查擠壓過程不會給成品帶來任何不必要的力學行為。  此外，增強材料在 CTE 中可能顯示出各向異性，這取決于相對于纖維方向的測量方向。

動態熱機械分析也被廣泛用于材料工程，用于分析聚合物復合材料，因為其可以揭示材料在動態負載條件下的行為信息。 DMA 對于表征 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

大多數 3D 打印生產線依賴于上述技術的組合。TA Instruments 是全球添加物制造商的儀器供應商。

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