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Highly Filled Coextruded Dual-Layer Polymer/Ceramic Filament for Material Extrusion Additive Manufacturing

材料科学 复合材料 复合数 ABS树脂 极限抗拉强度 挤压 熔丝制造 蛋白质丝 陶瓷 聚合物 喷嘴 各向异性 物理 热力学 量子力学
作者
Juhyeong Lee,Rebecca Ruckdashel,Nikhil P. Patil,Michael Pugatch,Kartik Joshi,Jay Hoon Park
出处
期刊:ACS applied polymer materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (4): 2867-2876 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsapm.3c00089
摘要

Highly filled composite feedstock in material extrusion (MatEx) additive manufacturing (AM) can enhance the properties of 3D printed parts. However, key challenges remain for highly filled composite filaments: (a) filament brittleness, (b) nozzle clogging, (c) rough surface finish, and (d) inconsistent mechanical performance due to shear-induced filler migration, agglomeration, and interference of interdiffusion with the polymer chain. In this study, we demonstrate that a highly filled core–shell dual-layer (DL) filament, with an acrylonitrile–butadiene–styrene (ABS)/calcium carbonate (CaCO3) composite core and a virgin ABS shell, is a feasible solution to overcome the limitations and maximize the advantages of composite filaments. First, we designed a coextrusion die with the two-dimensional (2D) finite element method (FEM) flow simulation to minimize interfacial flow instabilities and predict the interfacial position. The simulated interface agrees well with the experimentally measured values. Using the designed die, the highly filled core–shell DL filaments of up to approximately 30 wt % (12 vol %) were fabricated with precise diameters and adequate deviations. The parts printed using the filaments can enhance the tensile strength (22.3 MPa), anisotropy (32% deviation with respect to print directions), and visual gloss in comparison with an equivalent highly filled monolayer (ML) filament (15.3 MPa tensile strength and 80% anisotropy) under the same printing conditions. The fractured surface and cross-sectional optical view of the printed parts of DLand ML filaments elucidated the structural and rheological benefits of DL filaments in terms of interlaminar bond formation.

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