3D打印高抗冲聚苯乙烯(HIPS)工艺控制的断裂行为研究

《Polymer Testing》：Investigating the processing-controlled fracture behavior of 3D-printed high-impact polystyrene

　　

基本断裂功(EWF)成功表征了3D打印高抗冲聚苯乙烯(HIPS)的断裂行为。0°的打印路径角度使EWF降低了34%，但使非基本断裂功(non-EWF)增加了62%。0.3 mm的层高使EWF增加了10%，但降低了non-EWF。0.8 mm的喷嘴直径使EWF增加了37%，达到14.8 kJ/m²。扫描电子显微镜(SEM)将EWF的变化趋势与原纤化、丝材拉伸和层间空隙联系起来。

3D打印作为传统制造工艺的重要补充，近年来已成为发展最迅速的技术之一。在众多3D打印方法中，材料挤出(MEX)因成本低、材料适应性强等优势被广泛应用于聚合物制造。然而，MEX成形的部件不可避免地存在层间空隙、表面畸变、残余应力及层间弱结合等固有缺陷。这些缺陷高度依赖于打印路径角度、层高、喷嘴直径等工艺参数。尽管已有部分研究探讨了工艺参数对3D打印高抗冲聚苯乙烯(HIPS)力学性能的影响，但多数局限于拉伸强度等强度指标，对其断裂行为的理解仍不够全面。文献中关于打印路径角度对断裂韧性影响的结论存在矛盾，且研究大多仅孤立考察单一参数。实际上，层高和喷嘴直径等沉积变量通过改变热历史、层间粘合和纤维排列共同决定断裂响应。现有研究在采用EWF方法评估层厚与喷嘴尺寸对打印HIPS断裂性能的交互作用方面存在空白。为填补这一知识空缺，研究人员系统开展了工艺参数对MEX成形HIPS断裂行为影响的研究，阐明了工艺-结构-断裂的关系，为抗断裂聚合物部件的设计提供了实用指导。该研究论文发表在《Polymer Testing》期刊。

研究人员采用全因子实验设计开展了系统研究。样本制备使用1.75 mm直径的HIPS线材，由eSUN公司提供，通过ANET ET4 3D打印机进行制造。研究选取了打印路径角度（0°和±45°）、喷嘴直径（0.6 mm和0.8 mm）和层高（0.2 mm和0.3 mm）作为三个主要变量。在表征技术方面，使用Zwick/Roell Z010测试系统在恒定十字头位移速率下进行了拉伸测试和EWF测试，EWF测试采用双边缘缺口拉伸(DENT)试样，并预置不同韧带长度(7至15 mm)的尖锐裂纹。同时，运用JEOL JOX-840扫描电子显微镜(SEM)观察断裂表面和内部孔隙特征，并利用ImageJ软件量化缺陷尺寸。通过Minitab软件进行正态性检验与方差分析(ANOVA)以评估各参数的显著性。

统计分析
研究人员通过计算p值和F值对所有力学性能和断裂响应进行了统计分析。结果表明，各回归模型的R²值在92.08%至99.82%之间，与调整后R²差异极小，表明模型具有高保真度。打印路径角度对断裂伸长率的F值高达2167.55，证明其是控制材料宏观延展性的主导因素。喷嘴直径(N)及喷嘴直径与层高的交互作用(N×L)在EWF和非基本断裂功(non-EWF)模型中表现出显著的F值，强调了丝材几何形状和层间粘合面积对裂纹扩展阻力的决定性作用。正态概率图证实数据符合正态分布假设，支持了方差分析的有效性。

微观结构
通过SEM对3D打印样品的横截面微观结构进行了检查。观察发现，所有样品在结合区均存在三角形气孔/孔隙，这主要归因于熔融态向固态转变时的材料收缩。±45°样品比0°样品包含更高密度的缺陷和较弱的层间粘贴。增加层高至0.3 mm通常会加剧与弱粘贴相关的层间缺陷。增大喷嘴直径至0.8 mm会促进更大的材料不均匀性并形成更大的气孔。这些缺陷减少了长丝间的有效接触面积，弱化了层间扩散与粘贴。

EWF验证
在EWF测试中，DENT样品的载荷-位移曲线随韧带长度的增加表现出明显的自相似性，证实了裂纹萌生和扩展以相同方式进行。同步视频记录显示，在最大载荷下韧带达到完全屈服，随后裂纹在稳定条件下扩展，经历了应力发白区形成、塑性区扩展、裂纹稳定扩展直至最终断裂的过程。Sai-Hill准则验证表明，所有样品的最大应力(σ_max)均在0.9σ_m至1.1σ_m的范围内，证明测试在平面应力条件下进行，确保了EWF方法的适用性。

拉伸强度
主效应分析显示，将打印路径角度从±45°改为0°时，由于加载方向与长丝取向对齐，拉伸强度增加了19%，达到24 MPa。采用0.2 mm层高时获得最高平均强度，因喷嘴对底层施加的“熨压”压力更大，增强了层间粘贴，强度较0.3 mm层高提升13%。使用0.6 mm喷嘴时拉伸强度最高，而0.8 mm喷嘴因产生更大的长丝和更多的长丝间空隙导致强度下降13%。

拉伸模量
0°打印路径样品的拉伸模量比±45°高出11%，达到498.6 MPa。0.2 mm层高样品由于层间粘贴增强，表现出最大平均模量527.7 MPa，较0.3 mm层高样品高出20%。0.6 mm喷嘴样品的模量最高，为514.5 MPa，而0.8 mm喷嘴因层间不连续和气孔存在导致模量降低16%。

断裂伸长率
断裂伸长率对打印路径角度高度敏感，从±45°变为0°时，由于轴向加载下大分子链更容易沿加载方向排列，断裂伸长率增加了300%。层高从0.2 mm增至0.3 mm时，断裂伸长率增加约58%，这归因于更厚的沉积层促进了拉伸过程中的塑性变形。喷嘴直径从0.6 mm增至0.8 mm时，断裂伸长率略微增加4%，可能与较大喷嘴缓慢的固化和增强的分子链活动性有关。

基本断裂功
将打印路径角度从±45°改为0°使EWF值提升11%至13.44 kJ/m²。层高从0.2 mm增至0.3 mm使EWF提升10%至13.42 kJ/m²，这是因为更高的层高减少了热循环次数，降低了残余应力积累，从而促进了断裂过程区内更大的塑性变形。喷嘴直径从0.6 mm增至0.8 mm使EWF增加37.51%至14.8 kJ/m²。SEM图像显示，0.8 mm喷嘴样品在断裂表面表现出更明显的原纤化和长丝拉伸，这种结构特征增强了裂纹扩展过程中的能量耗散，体现了强度与韧性之间的权衡。

非基本断裂功
0°样品的non-EWF值较±45°样品增加62.3%至0.99 kJ/m³。这是由于在0°样品中，裂纹扩展垂直于打印方向，需逐层断裂层间键，消耗更多能量。0.2 mm层高样品具有最大的non-EWF值（约1 kJ/m³），因其提供了更大的长丝接触面积，促进了裂纹尖端周围更宽的外部塑性变形区发展。增大喷嘴直径至0.8 mm使non-EWF降低42%，因为更宽的打印路径减少了路径边界数量，裂纹扩展路径更平滑，局部阻力减小。

断口形貌分析
断口形貌观察揭示了断裂行为对打印路径角度的强依赖性。0°样品主要发生层内断裂，表现为长丝断裂、原纤化和拉伸韧带，指示了广泛的塑性变形。±45°样品主要沿较弱的相邻长丝间界面发生层间断裂，出现分层分离和微丘形态，由于绕过了HIPS基体中橡胶相的增韧机制，导致较低的能量耗散。0.3 mm层高样品表现出更明显的层间分离边界，但仍存在原纤化等局部塑性变形。0.8 mm喷嘴样品因长丝界面密度降低，裂纹扩展更多受层内塑性机制（如原纤化）主导，从而提高了EWF值，但限制了外部塑性区的扩展，导致non-EWF降低。

结论
本研究在EWF框架下系统评估了主要工艺参数对HIPS力学响应和断裂特征的影响。载荷-位移曲线的自相似性和Sai-Hill准则证实了EWF方法在3D打印样品断裂分析中的适用性。增大喷嘴直径和层高使拉伸强度降低13%，而将打印路径角度改为0°使拉伸强度提升19%至24 MPa。拉伸模量随喷嘴直径和层高的增加分别降低16%和20%，随路径角度变为0°提升11%。断裂伸长率随喷嘴直径和层高增加分别上升4.2%和50%，随0°路径设置增加300%。EWF结果显示，增大喷嘴直径和层高分别使EWF提升37%和10%，0.8 mm喷嘴获得最高值14.8 kJ/m²。相反，在这些条件下non-EWF降低，但在0°路径角度下增加62%，0.6 mm喷嘴达到最大值1.03 kJ/m³。SEM分析揭示了包括气孔和弱粘贴在内的形态特征，以及原纤化和长丝断裂等断裂特征，突显了3D打印HIPS断裂行为的复杂性与内在的强度-韧性权衡机制。