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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最終產(chǎn)品的質(zhì)量，TPU是首批可用于SLS工藝的柔性材料之一。本文從粉末流動(dòng)性，粒度粒形以及比表面積等各項(xiàng)性能來表征TPU材料的性能，用于評(píng)估其對(duì)于最終加工性能的影響。

關(guān)鍵詞：增材制造；性能表征；粉末流動(dòng)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(fā)展為大規(guī)模生產(chǎn)。由于其性質(zhì)、原料的不同，適用于許多行業(yè)和應(yīng)用。

增材制造是一個(gè)完全數(shù)字化的生產(chǎn)過程，使無工具制造物體成為可能。與傳統(tǒng)制造工藝相比減少了浪費(fèi)。憑借數(shù)字化生產(chǎn)過程，公司可以分散制造業(yè)務(wù)，在離客戶更近的地方生產(chǎn)三維產(chǎn)品。這使得他們可以更快地將產(chǎn)品推向市場，同時(shí)減少運(yùn)輸成本。

柔性TPU 3D打印是一種柔性材料3D打印技術(shù)，是3D打印個(gè)性化加工制造業(yè)中令人興奮的領(lǐng)域之一。原因在于，3D打印的優(yōu)點(diǎn)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(jié)）的3D打印工藝可實(shí)現(xiàn)柔性TPU材料的快速成型。選擇性激光燒結(jié) (SLS) 是一種常用的打印技術(shù)，使用細(xì)粉作為打印介質(zhì)，一次打印一層三維部件。以激光為熱源燒結(jié)細(xì)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(qiáng)韌和耐老化的特性，是一種成熟的環(huán)保材料。目前，TPU已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、電子電器、工業(yè)及體育等方面，其具有其它塑料材料所無法比擬的強(qiáng)度高、韌性好等特性，同時(shí)還具有高防水性、透濕性、抗紫外線以及能量釋放等許多優(yōu)異的功能。

TPU 粉末，是首批可用于 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(yōu)勢，而其他材料往往不那么堅(jiān)韌，富有彈性。

而對(duì)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最終產(chǎn)品的質(zhì)量。下面我們將從幾個(gè)方面來表征TPU粉末的性能，包括粉末流動(dòng)性，粒度粒形以及比表面積等各項(xiàng)性能，我們將以三個(gè)TPU粉末材料為例。

一．粉末流動(dòng)性比較

粉末的流動(dòng)性是粉末的一種宏觀表現(xiàn)，很多時(shí)候大家都是借助一些比較簡單粗糙的儀器或者方法進(jìn)行表征，但科學(xué)地性能表征才能得到更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)并給與生產(chǎn)加工更加科學(xué)的指導(dǎo)。

下面我們將通過Granutools的三款型號(hào)的儀器Drum,Pack和Heap從粉末流動(dòng)性，振實(shí)密度和休止角三個(gè)角度來表征三個(gè)樣品間的差異。

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

（1）TPU-A，B，C三個(gè)樣品采用Granutools Drum所測隨轉(zhuǎn)動(dòng)速度變化流動(dòng)角度和內(nèi)聚指數(shù)之間的對(duì)比：

粉末流動(dòng)性越好，流動(dòng)角度相對(duì)更?。‵low Angle），內(nèi)聚指數(shù)小。從以上可以看出樣品A隨速度增加流動(dòng)角度增加明顯，內(nèi)聚指數(shù)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(dòng)速度增加兩個(gè)指數(shù)都相對(duì)穩(wěn)定，C的內(nèi)聚指數(shù)也會(huì)隨著速度增加增大的幅度也大于B。

對(duì)于粉末流動(dòng)性，Granutools Drum可以根據(jù)Cohesion的值給出參考的流動(dòng)性能指導(dǎo)。通過這個(gè)參數(shù)也可以了解粉末隨流動(dòng)速度的流動(dòng)性評(píng)價(jià)，而通過Granutool Drum的粉末流動(dòng)性測試，我們可以用來優(yōu)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(shí)密度與流動(dòng)性之間的關(guān)系。對(duì)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(dòng)態(tài)壓實(shí)(low n1/2)等特點(diǎn)。

我們來看下三個(gè)粉末的振實(shí)過程對(duì)比：

對(duì)比來看，TPU-B的實(shí)驗(yàn)壓實(shí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)最小，豪斯納比指數(shù)最低，相對(duì)流動(dòng)性是三個(gè)粉體中最 好的，同時(shí)TPU-B具有最高的振實(shí)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(duì)于粉末來說，休止角是檢驗(yàn)粉體流動(dòng)性好壞最簡便的方法。休止角越小，說明摩擦力越小，流動(dòng)性越好。而休止角也可以通過Granutools Heap來測試：

而對(duì)于休止角和粉末流動(dòng)性關(guān)系的指導(dǎo)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(dòng)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(shí)都會(huì)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(dòng)性也一定是和顆粒的粒度分布和形貌有一定的關(guān)系。

下面我們將通過Microtrac的 Sync粒度粒形分析儀來評(píng)價(jià)三個(gè)粉末之間的差異。

粒度分布以及顆粒形狀統(tǒng)計(jì)如下：

從數(shù)據(jù)來看，TPU-A粒度最大，但顆粒形狀最不規(guī)則；而TPU-B粒度分布相對(duì)比較寬，會(huì)有一定的大小顆粒的配比，同時(shí)顆粒形狀相對(duì)更接近球形；TPU-C粉末最細(xì)，形狀也比較接近球形。

理論上來說，顆粒越大流動(dòng)性會(huì)越好，但受到顆粒形狀的影響，三款粉末中TPU-B的因?yàn)樾螤罡鼮橐?guī)則，所以表現(xiàn)出流動(dòng)性更佳。

典型的顆粒圖片：

TPU-A

TPU-B

TPU-C

三．粉末的比表面積比較

對(duì)于材料的性能，除了粒度的影響之外，顆粒的比表面積的大小也會(huì)影響到很多性能，比表面越大，粉末接觸外界的面積就越大，對(duì)材料的許多性能也會(huì)有明顯影響。

對(duì)于無孔材料來說，顆粒大小會(huì)和比表面積有一定程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但真實(shí)的比表面積值還是需要通過氣體吸附儀器來測試更為準(zhǔn)確。

以下是通過MicrotracBEL的mini X所測試三個(gè)樣品的比表面積值的對(duì)比：

通過以上實(shí)際測試值可以看到，因?yàn)轭w粒形狀以及粒度大小之間的關(guān)系，比表面積的值和顆粒大小間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但有時(shí)規(guī)律并不完全對(duì)等。

當(dāng)然，這三個(gè)樣品的比表面積的值都不是很大，從這點(diǎn)來說對(duì)于顆粒的流動(dòng)性的影響，我們可能還是需要更多的關(guān)注粒度和粒形的影響。

通過以上各種性能指標(biāo)的測試與分析，對(duì)于三個(gè) TPU粉末，我們基本有了一個(gè)比較全面的認(rèn)識(shí)和了解。

而對(duì)于增材制造中的各種材質(zhì)的材料，如果想要更加準(zhǔn)確可靠地控制材料質(zhì)量，進(jìn)而控制成品質(zhì)量，前期的材料表征是必不可少的。而以上分析可以適用于各類增材制造中所使用的材料。