以柔性聚乳酸為材料的織物組織立體打印參數(shù)設(shè)計(jì)

程燕婷， 孟家光， 支 超

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

3D打印技術(shù)也被稱為三維打印或立體打印，最早由美國麻省理工學(xué)院于1993年開發(fā)[1]，該技術(shù)是快速成型技術(shù)中的一種，被稱為第三次工業(yè)革命[2]。熔融層積成型(fused deposition modeling，簡稱FDM)技術(shù)又稱為熔融堆積技術(shù)，屬于3D打印技術(shù)中的一種，該技術(shù)是將絲狀熱塑性材料，如蠟、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸、聚碳酸酯、錦綸等，在打印頭內(nèi)高溫熔融，打印頭沿著設(shè)計(jì)模型的輪廓和填充軌跡在水平面內(nèi)運(yùn)動，材料熔融成為半流動狀態(tài)后被打印頭擠出在指定位置，層層堆積最后形成實(shí)物模型[3]。FDM技術(shù)工藝環(huán)保、簡單、安全、易于操作，設(shè)備材料體積小，可在辦公室環(huán)境下進(jìn)行，不產(chǎn)生廢棄物，材料價(jià)格便宜，材料的利用率高達(dá)95%以上。

3D打印技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，其在紡織服裝行業(yè)的應(yīng)用是當(dāng)今一大熱潮[4]。目前成衣市場的需求正日益趨向個(gè)性化、多元化，而3D打印技術(shù)為成衣市場帶來了革新。將3D打印技術(shù)和服裝結(jié)合起來，為服裝行業(yè)帶來了新技術(shù)和新機(jī)遇[5-6]?？椢锝M織對于服裝的穿著效果有很大影響，因此需要打印出和織物組織相似的打印組織。打印組織模型的外觀效果與打印材料的打印參數(shù)有很大影響。目前國內(nèi)研究者很少有對于3D打印織物組織的研究，對于其使用打印材料的打印參數(shù)的研究少之又少。

FDM技術(shù)常用的打印材料有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)和聚乳酸(PLA)，由于需要應(yīng)用到立體打印織物組織上，因此本文選擇可降解的柔性PLA材料，其力學(xué)性能及物理性能良好，打印時(shí)不會像ABS那樣產(chǎn)生刺鼻的味道。使用PLA耗材打印，材料熔化后易附著和延展，不用擔(dān)心模型會發(fā)生翹邊問題[7-8]。

FDM技術(shù)在打印過程中，拉絲、斷絲、堵頭現(xiàn)象的出現(xiàn)影響打印模型的精度。成型精度包括打印模型的尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度3部分[9-10]。在材料、設(shè)備、軟件確定的情況下，工藝參數(shù)設(shè)置的是否合理是影響打印模型外觀效果最主要的因素[11]，因此，合理的打印參數(shù)會使得打印出的組織模型外觀更加美觀，提高打印精度和打印效率。

本文采用FDM技術(shù)在3D打印機(jī)中對柔性PLA材料的打印參數(shù)進(jìn)行研究，得到適合于立體打印織物組織的最佳打印參數(shù)，以期為立體打印服裝的發(fā)展提供參考。

1 打印原理及儀器

1.1 打印原理

FDM技術(shù)打印原理為：在三維設(shè)計(jì)軟件中設(shè)計(jì)好三維模型，以.stl文件格式導(dǎo)入切片軟件中，切片軟件自動將三維模型數(shù)據(jù)分層，生成模型的路徑輪廓和必要的支撐路徑。將切片信息導(dǎo)入打印機(jī)中，打印機(jī)讀取信息，將噴頭加熱至設(shè)定的溫度，打印材料熔融噴絲，打印頭根據(jù)物體切片輪廓信息在X-Y平面內(nèi)運(yùn)動，形成每層的路徑輪廓。一層打印結(jié)束以后，打印平臺下降一個(gè)分層厚度，再接著下一層打印，直至形成完整的實(shí)物模型[12]。FDM技術(shù)的原理如圖1所示。

圖1 FDM技術(shù)原理Fig.1 Principle of FDM technology

1.2 打印材料和儀器

打印耗材：直徑為1.75 mm的柔性PLA長絲材料(珠海天威飛馬打印耗材有限公司)；

打印儀器：“天威”Colido X3045準(zhǔn)工業(yè)級3D打印機(jī)。

2 打印參數(shù)

2.1 成型溫度

成型溫度包括噴嘴溫度和環(huán)境溫度。噴嘴溫度是打印機(jī)接受指令后將噴嘴加熱到設(shè)定的工作溫度，環(huán)境溫度是指打印室的溫度。

2.1.1噴嘴溫度

噴嘴溫度決定了打印材料的擠出絲流量、擠出絲寬度、黏結(jié)性及堆積性能等。噴嘴溫度與打印材料的黏性系數(shù)成反比，與打印材料的流動性成正比，與擠出速度成正比。若噴嘴溫度太高，材料被加熱熔融至液態(tài)，材料更加易于流動，材料的擠出速度變大，擠出絲變粗，從而導(dǎo)致模型出現(xiàn)拉絲和開裂現(xiàn)象；此外，噴嘴溫度太高還會使柔性PLA材料的分子鏈段遭到破壞，打印模型外觀粗糙且變黃。若噴嘴溫度太低，則材料的流動性差，材料的擠出速度變小，會造成噴頭堵塞，造成層與層之間分離[13]；因此，噴嘴溫度設(shè)置到最佳狀態(tài)，可使打印材料始終保持熔融狀態(tài)，可均勻出絲。

通過對柔性PLA打印材料的熱性能分析得出，打印材料的溫度應(yīng)設(shè)置在165.5～205 ℃之間。分別將打印頭的打印溫度設(shè)置為(165±1)、(175±1)、(185±1)、(195±1)、(205±1)℃ 5個(gè)不同的噴嘴溫度，讓打印機(jī)開始工作，通過對比不同溫度下噴絲的狀況確定噴嘴溫度。

由于在165、175、185 ℃噴嘴溫度狀態(tài)下的細(xì)絲出絲不均勻，且易堵頭，因此將噴嘴溫度確定為195、205 ℃。圖2示出不同噴嘴溫度下細(xì)絲擠出效果圖，左側(cè)的細(xì)絲是在噴嘴溫度為195 ℃條件下擠出的，右側(cè)的細(xì)絲是在噴嘴溫度為205 ℃條件下擠出的?？擅黠@看出：195 ℃條件下擠出的細(xì)絲出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象，打印頭不能順利地?cái)D出細(xì)絲；而205 ℃條件下從打印頭噴出的細(xì)絲出絲正常，細(xì)絲連續(xù)，無斷絲現(xiàn)象。通過多次試驗(yàn)對不同打印溫度下噴出的細(xì)絲做對比，得出最佳的噴嘴溫度為205 ℃。

圖2 不同噴嘴溫度下擠出細(xì)絲效果圖Fig.2 Effect of filaments extruded at different nozzle temperatures

2.1.2環(huán)境溫度

環(huán)境溫度對于打印模型的外觀質(zhì)量有一定影響。如果打印室內(nèi)溫度過高，噴頭擠出的細(xì)絲前一層還未完全固化，后一層已經(jīng)開始堆積，噴頭后一層的擠出細(xì)絲對前一層的絲有一定的作用力，使得打印模型表面凹陷變形，出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象。如果打印室內(nèi)溫度太低，從噴嘴擠出的細(xì)絲在外界溫度影響下突然冷卻，使得前一層已經(jīng)完全冷卻凝固，熔融材料從噴嘴中擠出才開始下一層的堆積，這會使得層與層之間不能很好地黏接，打印模型產(chǎn)生分層開裂現(xiàn)象。通過調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，在不同溫度下進(jìn)行打印，分析擠出細(xì)絲的效果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)室內(nèi)溫度高于23 ℃時(shí)，打印模型表面有拉絲現(xiàn)象；當(dāng)室內(nèi)溫度低于23 ℃時(shí)，模型有開裂現(xiàn)象，因此，室內(nèi)溫度23 ℃為最佳環(huán)境溫度。

2.2 分層厚度

分層厚度是指將三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行切片時(shí)每層切片截面的厚度。分層厚度會使得模型層與層之間產(chǎn)生一定高度，出現(xiàn)“臺階”現(xiàn)象。分層厚度小，則打印模型表面的臺階高度小，模型打印精度高，表面質(zhì)量效果較好，但是模型在分層時(shí)層數(shù)變多，需要打印的時(shí)間變長。分層厚度大，則模型表面的臺階高度變大，打印的模型尺寸精度相對較低，模型表面粗糙，紋理效果不太好，但是模型分層時(shí)層數(shù)變少，打印時(shí)間短，打印速度快[14-15]。通過設(shè)置不同分層厚度發(fā)現(xiàn)：當(dāng)層厚低于0.02 mm時(shí)，切片層數(shù)較多，模型打印時(shí)間長；當(dāng)層厚大于0.02 mm時(shí)，模型表面較為粗糙。因此，適合于立體打印織物組織的層厚為0.2 mm。

有一天，學(xué)堂的鎖壞了，秀容月明沒跟老師講，就把家里的鎖帶來。幾天后，老師發(fā)現(xiàn)學(xué)堂的鎖換了，問清情由，便當(dāng)著大家的面，夸獎秀容月明，還問其他孩子：“這樣的事，你能做到嗎？”

2.3 填充速度和擠出速度

噴嘴在水平面內(nèi)移動的速度稱為填充速度。打印耗材從噴嘴中擠出的速度稱為擠出速度。填充速度和擠出速度與絲寬有關(guān)，在不同條件下，擠出絲截面的形狀會改變，從而影響打印模型的質(zhì)量[16]，其關(guān)系如下式所示：

式中：vf為擠出速度，mm/s；ve為填充速度，mm/s；h為分層厚度，mm；d為噴嘴直徑，mm；W為絲寬，mm。

從上式可知，絲寬與填充速度成正比，與擠出速度成反比，與層厚的平方成反比。在噴嘴直徑確定的情況下，如果填充速度一定，擠出速度越大，絲寬越寬，這會影響打印模型的精度。一般情況下，如果填充速度太低，則打印時(shí)間變長，噴頭在高溫條件下會讓已打印出模型表面烤糊變焦，甚至表面產(chǎn)生小結(jié)節(jié)。如果填充速度太大，打印頭則發(fā)生顫動，影響成型精度。在打印過程中，填充速度與打印速度對打印質(zhì)量都有重要影響。如果填充速度比擠出速度大很多，會導(dǎo)致材料在噴頭中熔融后還未噴絲，打印頭已開始移動打印，產(chǎn)生斷絲現(xiàn)象，模型無法順利成型，如果填充速度比擠出速度小很多，柔性PLA材料熔融后會堆積在噴嘴上，模型表面的材料不能均勻分布，對打印效果會產(chǎn)生影響；因此，填充速度和擠出速度相輔相成、互相影響，二者應(yīng)合理配置，填充速度變大，擠出速度也應(yīng)該相應(yīng)增大。經(jīng)過試驗(yàn)研究，得出適合于柔性PLA材料的最佳填充速度為80 mm/s，最佳擠出速度為130 mm/s。

3 織物組織的打印

FDM技術(shù)的打印過程為：設(shè)計(jì)三維模型→三維模型處理→三維模型分層切片處理→模型打印→打印模型后處理。

緯平針是針織服裝常用的組織，在三維建模軟件3ds Max中建立出緯平針組織模型，如圖3所示。

圖3 緯平針組織模擬效果圖Fig.3 Simulation effect of weft plain stitch

在Repetier-Host軟件中對3ds Max軟件中設(shè)計(jì)的緯平針組織模型進(jìn)行切片分層，得到gcode格式的切片信息。將切片信息導(dǎo)入打印機(jī)中，設(shè)置打印參數(shù)為：打印溫度205 ℃，環(huán)境溫度23 ℃，分層厚度0.2 mm，填充速度80 mm/s，擠出速度130 mm/s。在室內(nèi)溫度為23 ℃的環(huán)境中進(jìn)行打印，對打印出的組織模型進(jìn)行后處理，去掉支撐，得到3D打印緯平針組織，如圖4所示。

圖4 緯平針組織打印效果圖Fig.4 Effects of printed weft plain stitch.(a) Front effect; (b) Back effect

從圖4可看出，在柔性PLA材料的最佳打印參數(shù)條件下打印出的緯平針組織的打印效果與模擬效果相當(dāng)，可表現(xiàn)出紗線線圈之間相互串套的關(guān)系，緯平針組織的正面線圈效應(yīng)和反面線圈效應(yīng)可很好地體現(xiàn)出來，打印組織上沒有拉絲、斷絲、材料焦黃、結(jié)塊等現(xiàn)象，外表光滑，在最佳打印參數(shù)下打印出的緯平針組織打印效果好，精度高，該打印組織適用于研究立體打印服裝。

4 結(jié) 論

1)通過FDM技術(shù)在3D打印機(jī)中對柔性PLA材料在不同打印參數(shù)條件下進(jìn)行測試，得到柔性PLA材料的最佳打印參數(shù)：打印溫度為205 ℃，環(huán)境溫度為23 ℃，分層厚度為0.2 mm，填充速度為80 mm/s，擠出速度為130 mm/s。

2)在最佳打印參數(shù)下對設(shè)計(jì)的緯平針組織進(jìn)行打印發(fā)現(xiàn)，立體打印緯平針組織的打印效果良好，可看出線圈之間相互串套的關(guān)系。采用柔性PLA材料在最佳打印參數(shù)下打印出的緯平針組織適合于立體打印服裝。

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