丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)作为常用的熔融沉积成型(FDM)3D打印材料之一[1]，具有优异的综合性能，广泛应用于汽车、航空航天、家用电器等领域[2-4]。对于工业级螺杆挤出式FDM设备，所用ABS材料通常为传统注塑级的颗粒料，打印过程中热应力大[5-6]，容易导致打印件的翘曲变形和开裂，影响打印过程的顺利进行[7]，导致打印件的尺寸精度差，影响后续减材加工和装配过程，限制FDM技术在高精度场合的工程化应用[8-9]。因此，开发适用于工业级螺杆挤出式FDM设备的低翘曲率的ABS材料，对于拓宽FDM的应用领域具有重要的理论意义和实际价值。目前，国内外已经有相关研究人员开展FDM工艺的改性ABS材料研究，并取得了一定进展。Torrado Perez等[10]向ABS中添加TiO2、黄麻纤维和TPE，得到具有较低翘曲率的材料，但是力学性能明显下降。钟伟虹等[11]采用短切GF对ABS进行改性，结果表明：GF的加入可以有效降低FDM打印件的翘曲变形，但是会使材料的韧性变差。乔雯钰等[12]采用GF对ABS进行改性，并对其拉伸性能进行研究。结果表明：用量为2份的短切GF可略微提高试样的拉伸强度，其拉伸强度约为42.5 MPa；随着GF含量继续增加拉伸强度下降。针对FDM工艺的改性ABS材料，打印件的翘曲率均明显降低，但材料的力学性能下降，仅能够应用于对材料力学性能要求较低的场合。而且目前研究3D打印用的改性ABS材料大多局限在桌面级FDM设备，不仅价格昂贵，而且并不适用螺杆挤出式的工业级FDM设备。本实验采用GF、苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)、ABS、偶联剂等制备纤维增强复合材料，通过自主研发的工业级FDM设备打印试件，考察打印件的翘曲率和力学性能，研究GF含量、偶联剂的加入、ABS和SAN的质量比对复合材料打印件翘曲率和力学性能的影响。1实验部分1.1主要原料丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，PA-757，颗粒直径约2.75 mm，颗粒长度3 mm，打印温度180~250 ℃、苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)，PN-127H，台湾奇美实业股份有限公司；玻璃纤维(GF)，ECT10L-4800，重庆国际复合材料股份有限公司；硅烷偶联剂，KH560，南京翔飞化工科技有限公司。1.2仪器与设备鼓风干燥箱，DHG-9145A，上海高致精密仪器有限公司；高速混合机，HRS-10，东莞市环鑫机械有限公司；双螺杆挤出机，Haake Rheomex PTW16，赛默飞世尔科技；FDM打印机，EDP-P01（最大成型尺寸为1 m×0.8 m×0.6 m的螺杆挤出沉积成型设备），喷嘴直径2.5 mm，西安增材制造国家研究院有限公司；万能试验机，CMT 4303，美特斯工业系统（中国）有限公司；钨灯丝扫描电子显微镜(SEM)，JSM-IT500LA，日本电子株式会社。1.3样品制备表1为不同GF、偶联剂和SAN含量下GF/ABS复合材料配方。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.009.T001表1不同GF、偶联剂和SAN含量下GF/ABS复合材料配方Tab.1Formula of GF/ABS composites with different GF， coupling agent and SAN content材料编号ABSGF偶联剂SANABS∶SAN（质量比）1-11000———1-21001———1-31003———1-41005———1-51007———2-110050——2-210050.5——3-110050.50100∶03-29050.51090∶103-37050.53070∶303-45050.55050∶50份phr对于GF/ABS复合材料，纤维含量较小时无法体现GF的增强效果，在研究GF含量对GF/ABS复合材料打印件力学性能影响的基础上，选择较高GF含量（5份）的GF/ABS复合材料，研究偶联剂和SAN含量对打印件力学性能的影响。将ABS和SAN树脂置于80 ℃的鼓风干燥箱中干燥4 h，按照表1配方称量ABS、SAN、偶联剂等组分，并将材料于高速混合机中混合均匀，采用双螺杆挤出机挤出造粒，在双螺杆挤出机中直接添加连续的GF。所得粒料经80 ℃干燥4 h，进行FDM设备打印工艺性验证，同时打印力学性能测试件。1.4性能测试与表征打印工艺性：采用EDP-P01设备打印尺寸为300 mm×50 mm×120 mm（壁厚4 mm）的中空单壁模型，测量打印件的翘曲率。样件的平均高度(h')和翘曲率(l)的计算公式为：h'=(h1+h2)2 （1）l=(h-h')h×100% （2）式（1）、式（2）中：h1和h2分别为模型两端的实际测量值，mm。拉伸性能测试：按GB/T 39328—2020进行取样，分别制作平行打印方向和垂直打印方向的样件。图1为测试样件的取样方向。按照GB/T 1040.2—2022进行测试，拉伸速率为5 mm/min。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.009.F001图1测试样件的取样方向Fig.1Sampling direction of the test sampleSEM观察：采用钨灯丝扫描电子显微镜观察拉伸性能测试后的样品断口形貌。2结果与讨论2.1GF含量对打印件性能的影响2.1.1GF含量对打印件翘曲率的影响图2为GF含量对打印件翘曲率的影响。从图2可以看出，GF/ABS打印件的翘曲率随GF含量的增加而降低。当GF的含量为7份时，打印件的翘曲率为2.89%，比未加GF的ABS打印件翘曲率降低了34.62%。添加GF能够降低ABS材料打印件的翘曲率，因为GF的热膨胀系数较小，冷却过程中其收缩率也相应较小，因此GF的加入可以有效降低材料的收缩率。而且，GF在材料体系中能够起良好的传递热应力的作用，可以减少打印过程中热应力集中现象的发生，从而使打印件的翘曲率进一步降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.009.F002图2GF含量对打印件翘曲率的影响Fig.2Effect of GF content on warpage rate of printed parts2.1.2GF含量对打印件力学性能的影响图3为GF含量对打印件拉伸强度的影响。从图3可以看出，GF/ABS复合材料打印件的拉伸强度随GF含量的增加而降低，而且打印件的拉伸强度呈现各向异性，GF含量越高，打印件拉伸强度的各向异性越明显。当GF含量为7份时，平行打印和垂直打印方向下试件的拉伸强度分别为36.32 MPa和30.59 MPa。与传统纤维增强复合材料成型工艺相比，FDM 3D打印工艺属于无模化制造，在打印过程中无压力施加在材料上，会导致打印件的孔隙增多，即缺陷增多，从而使打印件的力学性能降低。随着GF含量的增大，打印件的孔隙逐渐增多，因此打印件的力学性能逐渐降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.009.F003图3GF含量对打印件拉伸强度的影响Fig.3Effect of GF content on tensile strength of printed parts图4为GF/ABS复合材料打印件平行和垂直打印方向断口表面的SEM照片。从图4可以看出，打印件内部存在较多的孔隙。而打印件力学性能的各向异性是FDM 3D打印工艺固有的特点，因为打印是层层叠加的过程，打印当前层时，前一层材料温度已经在逐渐降低，因此层与层进行叠加时存在一定的温差而无法实现较好地融合，直接导致层间结合力下降，垂直方向的力学性能随之降低。同时，通过SEM测试的表面形貌也可以看出，在打印过程中，纤维沿打印方向发生了取向，进一步加剧了打印件力学性能的各向异性，而且纤维含量越高，材料的各向异性越明显。图4GF/ABS复合材料打印件平行和垂直打印方向断口表面的SEM照片Fig.4SEM images of fracture surface of GF/ABS composites printed parts in parallel and vertical printing directions10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.009.F4a1(a)平行打印方向10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.009.F4a2(b)垂直打印方向2.2偶联剂对打印件性能的影响2.2.1偶联剂对打印件翘曲率的影响图5为偶联剂对打印件翘曲率的影响。从图5可以看出，向GF含量为5份的GF/ABS材料体系中添加偶联剂后，打印件的翘曲率明显降低。当GF含量为5份时，添加偶联剂比不加偶联剂的打印件，翘曲率降低了21.14%。这是因为加入偶联剂后，共混物的两相界面张力降低，提高了GF和ABS的相容性，使得纤维分散更加均匀。打印过程中产生的热应力可以更有效地通过纤维进行传递，使得打印件的翘曲率降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.009.F005图5偶联剂对打印件翘曲率的影响Fig.5Effect of coupling agent on warpage rate of printed parts2.2.2偶联剂对打印件力学性能的影响图6为偶联剂对打印件拉伸强度的影响。从图6可以看出，向GF含量为5份的GF/ABS材料中添加偶联剂后，打印件的拉伸强度有所提高，而且拉伸强度的各向异性程度有所减弱。对于GF/ABS复合材料，当树脂与GF的界面黏结力足够大时，才能够使GF的增强效果充分显现。随着外力的增大，复合材料很容易从树脂基体与GF的界面处遭到破坏，增强效果不明显。向材料体系中加入偶联剂后，GF在ABS基体中分散更加均匀，提高了GF和ABS的相容性。纤维和树脂良好的界面结合力使得复合材料从ABS与GF的界面遭到破坏所需要的外力有所提高，因此打印件的力学性能有所提高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.009.F006图6偶联剂对打印件拉伸强度的影响Fig.6Effect of coupling agent on tensile strength of printed parts图7和图8分别为加偶联剂前后GF/ABS打印件断口的SEM照片。从图7和图8可以看出，添加偶联剂后，打印件的孔隙明显减少，也是打印件力学性能提高的原因。图7未加偶联剂的GF/ABS复合材料打印件断口SEM照片Fig.7SEM images of fracture morphology of printed parts of GF/ABS composites without coupling agent10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.009.F7a1(a)平行打印方向10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.009.F7a2(b)垂直打印方向图8添加偶联剂的GF/ABS复合材料打印件断口的SEM照片Fig.8SEM images of fracture of printed parts of GF/ABS composites added with coupling agent10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.009.F8a1(a)平行打印方向10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.009.F8a2(b)垂直打印方向2.3SAN含量对打印件性能的影响2.3.1SAN含量对打印件翘曲率的影响图9为SAN含量对打印件翘曲率的影响。从图9可以看出，打印件的翘曲率随SAN树脂含量的增大而降低。当ABS和SAN树脂的质量比为50∶50、GF和偶联剂含量分别为5份和0.5份时，打印件的翘曲率为2.07%，比不添加SAN树脂的打印件翘曲率降低了17.2%。这是因为SAN树脂链段属于刚性链段，其尺寸稳定性好，在打印过程中产生的内应力小，所以打印件的翘曲率低。随着SAN树脂含量的提高，材料体系中刚性部分增加，因此打印件的翘曲率逐渐降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.009.F009图9SAN含量对打印件翘曲率的影响Fig.9Effect of SAN content on warpage rate of printed parts2.3.2SAN含量对打印件力学性能的影响图10为SAN含量对打印件拉伸强度的影响。从图10可以看出，提高SAN树脂在材料体系中的比例，打印件的拉伸强度明显提高，而且拉伸强度随SAN树脂含量的增大而增大。当ABS和SAN树脂的质量比为50∶50、GF和偶联剂含量分别为5份和0.5份时，平行打印方向的拉伸强度为46.02 MPa，比不添加SAN树脂的打印件拉伸强度提高了17.85%。垂直打印方向的拉伸强度为41.53 MPa，比不添加SAN树脂的打印件拉伸强度提高了19.0%。向ABS树脂基体中添加SAN树脂可以明显提高打印件的拉伸性能，因为SAN树脂在ABS树脂中充当刚性部分的角色，以保证材料的刚度。因此，随着ABS树脂体系中刚性部分的增加，其拉伸强度逐渐提高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.009.F010图10SAN含量对打印件拉伸强度的影响Fig.10Effect of SAN content on tensile strength of printed parts3结论（1）随着GF含量的提高，打印件的翘曲率明显降低， 但是打印件的力学性能也随GF含量的增加逐渐下降，且力学性能的各向异性程度逐渐增大。偶联剂的加入，使得打印件的翘曲率进一步降低，而且打印件的拉伸性能有所提高，尤其是垂直打印方向的拉伸强度明显提高。随着SAN树脂含量的增加，打印件的翘曲率逐渐降低，而且力学性能明显提高。（2）通过向ABS中添加GF，调节树脂体系中SAN相的含量，并采用偶联剂处理GF，不仅可以降低打印件的翘曲率，还可以提高打印件的力学性能。ABS和SAN树脂的质量比为50∶50、GF和偶联剂含量分别为5份和0.5份时，打印件的翘曲率为2.07%，比未改性ABS树脂的打印件翘曲率降低了34.7%；平行打印方向和垂直打印方向的拉伸强度分别为46.02 MPa和41.53 MPa。