供稿人：鲁思伟、李涤尘 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2025-03-16
聚合物材料挤出（ME）增材制造技术，因其材料利用率高、运行成本低以及支持汽车、航空航天和医疗等各个领域的多种材料而得到广泛应用。然而，薄弱的层间强度仍然是材料挤出 3D 打印零件应用的一个关键限制。为此，南京航空航天大学的占小红教授等人提出了一种非接触式电磁感应后处理方法来解决这个问题。该方法旨在通过引入Fe3O4 颗粒，在交变磁场下诱导发热，从而增强 3D打印PA12样品的薄弱层间强度。对经过感应后处理的3D打印样品的发热特性、表面形貌、结晶行为和层间性能进行了系统研究。
图 1说明了通过感应后处理增强3D打印样品的界面强度所涉及的步骤。该过程包括三个主要步骤。步骤1（图1（a））中Fe3O4颗粒通过行星式球磨机充分混合两小时。使用单螺杆挤出机将混合颗粒用于生产混合长丝（改性PA12长丝、MPA12、Fe3O4。随后，在步骤2（图1(b))中，使用混合长丝进行3D打印MPA12 和连续碳纤维增强 MPA12 （CFRMPA12）。在步骤3（图1（c））中，采用电磁感应后处理方法来诱导Fe3O4发热，诱导产生的热量促进树脂在界面处的缠结和扩散，最终增强界面强度。
图1 感应后处理 3D 打印样品的工艺流程。(a)通过单螺杆挤出机制备MPA12复合长丝；(b) 打印MPA12部件和打印连续碳纤维增强MPA12部件（共挤出法）；(c) 感应加热通过促进界面树脂扩散来增强打印样品的界面强度。
图2显示了该研究中感应后处理的两种主要类型：静态和连续。静态感应后处理利用固定感应线圈（图2（a））。相反，连续感应后处理采用移动感应线圈（图 2（c）），主要用于较大的样品，例如拉伸和撕裂测试中使用的样品。在连续感应后处理中，线圈在纵向扫描样品时保持恒定速度。到达样品的一端后，线圈将沿其原始路径返回到起始位置，重复此过程。感应线圈对样品长度的每次完整扫描构成一个扫描周期。图 2（b）说明了耦合距离（d），其定义为样品底部与感应线圈顶部之间的间隙。静态感应后处理的关键参数包括Fe3O4颗粒的质量分数（w t）、感应功率（p）和耦合距离。在连续感应后处理中，感应功率、扫描速度（v）和扫描次数（n）是至关重要的参数。
图2 (a) 静态感应处理打印样品示意图；(b)静态感应加工中的感应距离；(c) 连续感应后处理示意图，线圈（颜色不同）随时间沿拉力方向移动；(d) 连续感应加工的感应距离； (e) 扫描路径图。
图3显示了感应后处理对打印样品层间强度（Z方向拉伸强度）的影响。经过感应后处理的3D打印MPA12样品（蓝色和红色柱）比未处理的3D打印 PA12 样品（浅灰色柱）表现出明显更高的拉伸强度。在1 mm/s的扫描速度下，样品的拉伸强度比3D打印的PA12样品提高了119%。在扫描速度为2 mm/s 时，这一改进达到 218.3%。与未处理的PA12样品相比，扫描速度为2 mm/s 的感应后处理 MPA12 样品的韧性提高了245.2%，断裂应变略微提高至9.8%。此外，通过感应后处理参数的优化和增强颗粒-基体结合可以进一步优化打印样品的加热和冷却特性。这种优化有望改善层间扩散并调节树脂结晶度，从而有可能进一步增强打印的PA12样品的层间强度。
图3 感应后处理对打印样品层间强度（Z方向拉伸强度）的影响：(a) 制造方向示意图；(b) 不同样品的图示：PA12、MPA12（含Fe3O4）、后处理MPA12（参数：颗粒含量15 %、感应功率13.5 kW、感应距离1 mm、扫描速度1mm/s或2 mm/s）；(c) 代表性应力-应变曲线；(d-f) 后处理对打印样品的拉伸强度、断裂应变和韧性的影响。
感应后处理方法以非接触方式有效增强了3D打印样品的层间强度，并可能通过参数优化进一步增强。3D打印过程涉及树脂流动诱导结晶和树脂流动诱导聚合物链取向，两者都会阻碍层间树脂界面扩散。感应后处理有效避免了这些问题，能够在短时间内（50s）强化层间界面。
该方法也为传统烤箱内热处理不可行的户外环境中的大型3D打印样品提供了优势。此外，加入铁磁材料可以增强3D打印样品的电磁屏蔽能力。该方法还能够以非接触方式对热塑性复合材料的特定局部区域进行精确加热，使其适用于连续碳纤维增强热塑性复合材料的无模具成型、复杂表面焊接和修复（特别是在狭窄和难以接近的区域）。