玻璃纖維3D打印機(jī)研究分析

孟凡盛 張帆 王夕增 尹牛牛 劉洋洋

摘? 要：隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，在3D打印品的日益需求下，隨之而來的也是對3D打印要求的增加。然而傳統(tǒng)打印機(jī)已經(jīng)無法滿足當(dāng)前繁重的任務(wù)負(fù)荷，以及打印的高強(qiáng)度。在此背景下，玻璃纖維3D打印機(jī)應(yīng)用而生。它不僅減輕了工作人員的強(qiáng)度，還能縮短打印的時間。但是由于該打印機(jī)制造成本和原材料成本較高，目前只有高端領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。對于非金屬制造的專用材料中，其性能尤其是耐高溫和強(qiáng)度，需要降低成本，以便得到廣泛利用。本文對玻璃纖維3D打印機(jī)進(jìn)行了研究和分析。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維? 3D打印機(jī)? 分析? 研究

中圖分類號：TQ171 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）02（c）-0094-03

Research and Analysis of Glass Fiber 3D Printer

MENG Fansheng1? ZHANG Fan1? WANG Xizeng2? YIN Niuniu2? LIU Yangyang2

（1.School of Mechanical Engineering， Yangzhou University， Yangzhou， Jiangsu Province， 225127 China; 2.Anhui Fengyang Huaihe Glass Co.， Ltd.， Chuzhou， Anhui Province， 233100 China）

Abstract： With the rapid development of information technology， the increasing demand for 3D printing products is accompanied by the increasing requirements for 3D printing. However， traditional printers have been unable to meet the current heavy task load， as well as the high intensity of printing. In this context， the glass fiber 3D printer was born. Not only does it reduce the strength of the staff， but it also reduces the time it takes to print. However， due to the high cost of manufacturing and raw materials， the printer is only used in high-end fields at present. Technology have released that for non-metallic materials， their properties， especially their high temperature resistance and strength， need to be reduced in cost in order to be widely used. This paper studies and analyzes the glass fiber 3D printer.

Key Words： Glass fiber; 3D printer; Analysis; Research

3D打印的核心是三維CAD的數(shù)據(jù)，代表著技術(shù)革命的突破以及信息時代的產(chǎn)物，其原材料為粉末狀或?yàn)樗苄缘脑牧?，是利用層?shù)使材料進(jìn)行增加的技術(shù)。在科技的影響下，人們對產(chǎn)品制造的需求愈發(fā)增多，以往的3D打印材料已不能滿足其需求，尤其是在化工、建筑或航空等熱塑性材料剛性不足。針對這種情況，適用于做3D打印原材料越來越多，玻璃纖維作為其中最具有剛性、耐高溫和吸水性材料，很好地解決問題。3D打印技術(shù)具有快速成型的特點(diǎn)，而傳統(tǒng)成型技術(shù)時間較長，且成本高，也不能在短時間內(nèi)完成制造。3D打印技術(shù)不僅縮短了制造時間，而且使材料的利用率得到提高，有利于整體成本的降低。

1? 3D打印技術(shù)概述及應(yīng)用

1.1 3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)并不是新型技術(shù)，早在30年前就有人對此技術(shù)進(jìn)行研究。在技術(shù)人員的操作下，運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)備，對三維模型展開繪制，并利用三維掃描儀，對實(shí)物構(gòu)架進(jìn)行掃描生成三維模式，在此過程中對數(shù)據(jù)的記錄，就需要使用3D打印機(jī)技術(shù)，借助電腦終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺S打印機(jī)，通過分層次堆積的控制技術(shù)，形成需要的模型。在工業(yè)應(yīng)用中被稱為增材制造技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以在需要情況下制造任何的物品。例如，模型的制造根據(jù)模型的規(guī)格和形狀，使用傳統(tǒng)的技術(shù)，要想完成好這些模式可能需要幾個小時，也有可能是幾天或者是更長的時間。使用3D打印技術(shù)以后，時間局面就完全可以改變，需要幾天的模型制作，在3D打印技術(shù)條件下只需要短短幾個小時就可以完成。當(dāng)然使用3D打印技術(shù)也同樣受到模型的規(guī)格形狀影響，同時也受到其復(fù)雜程度影響，但是總體來講在時間方面有著巨大的突破[1]。

形成3D打印技術(shù)高熱的原因主要是媒體宣傳作用。3D技術(shù)最先使用在工業(yè)應(yīng)用也就是快速成型技術(shù)，當(dāng)時對這個技術(shù)的研究由于使用的材料和設(shè)備的成本太高，無法普及。2008年是3D技術(shù)的一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，一款價格非常低廉的3D打印機(jī)在世界上公布，這種3D打印機(jī)在特點(diǎn)上主要有三個方面，就是分銷、制造和設(shè)計(jì)。后來在使用開源軟件的應(yīng)用以后，3D打印機(jī)也使用開源的設(shè)計(jì)方法。一般情況下這個設(shè)計(jì)的三個部分是不會受到任何的專利的保護(hù)，在三個部分就包括了軟件、電子元件和硬件，對于這三個方面只要需要就可以使用和更改。正是這個原因造成世界上很多愛好者對這方面改造和設(shè)計(jì)，促使該技術(shù)不斷完善和進(jìn)步。對于美國而言，其根據(jù)自身發(fā)展的需要，制定了關(guān)于工業(yè)制造復(fù)蘇計(jì)劃，這個計(jì)劃就有著美國的工業(yè)部門和美國的政府部門共同在資金方面支持，第一期的投資金額在10億美元，在2013年的時候，確定第一個項(xiàng)目就是3D打印技術(shù)，并以該技術(shù)為研究方向展開探究。

在3D的打印領(lǐng)域需要復(fù)制的產(chǎn)品，關(guān)于產(chǎn)品的外觀專利和產(chǎn)品的專利，只需要獲得專利方面的授權(quán)的情況下，這樣的復(fù)制的產(chǎn)品也同樣受到專利法的保護(hù)。專利權(quán)的保護(hù)和在商標(biāo)的保護(hù)，這些就是僅限制在商業(yè)地范圍內(nèi)，要是在使用中是一種非商業(yè)的行為，這樣就不在侵權(quán)的范圍[2]。

1.2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用

3D打印技術(shù)的應(yīng)用就會造成商品的低價、快速和方便。3D打印技術(shù)的關(guān)鍵是模型文件，而模型文件可以分成兩個種類，也就是設(shè)計(jì)生成的模型文件和掃描生成的模型文件，在創(chuàng)作性物品和實(shí)用性物品，實(shí)用版權(quán)保護(hù)對這兩個方面保護(hù)結(jié)果是不一樣的。實(shí)用性的物品使用掃描形成的模型文件，這個方面是不會受到版權(quán)法的保護(hù)，這個主要是動機(jī)不同，在使用的掃描沒有創(chuàng)新的付出，而且使用這樣的方法，制造出的作品也是不會在版權(quán)保護(hù)法的保護(hù)范圍之內(nèi)。但是在使用創(chuàng)意而形成的作品，這個是能夠獲得版權(quán)的保護(hù)，但是掃描的文件就不會受到版權(quán)的保護(hù)，還有就是掃描需要獲得創(chuàng)意者的同意。利用適用性的物品設(shè)計(jì)而形成的模型文件，這個在理論方面是有版權(quán)，根據(jù)模型文件打印的物品不會侵犯到該模型的版權(quán)，也就是在沒有授權(quán)的情況下，對物品的制造、對文件的復(fù)制行為，這樣就有可能造成侵權(quán)。在創(chuàng)意的物品中使用了設(shè)計(jì)的方法而形成的模型文件，這兩個方面物品和文件都是有著獨(dú)立的版權(quán)。

3D打印技術(shù)對社會生活中的人們而言，最為常見的就是對鞋的打印，對珠寶的打印、對時裝的打印、對家具的打印和對手機(jī)的打印。隨著這個技術(shù)的不斷發(fā)展，制造商就會發(fā)現(xiàn)，其實(shí)3D的技術(shù)還可以應(yīng)用在很多的行業(yè)。

2? 玻璃纖維材料的力學(xué)性能

2.1 拉伸測試結(jié)果

眾所周知，不同層次的拉伸結(jié)果也各不相同，有研究表明，拉伸強(qiáng)度大小的影響與切片層厚度有關(guān)。即試樣厚度越大，拉伸程度就越小，相反，試樣厚度越小，其拉伸的強(qiáng)度也越來越大。尤其是厚度在0.1～0.4mm之間時，其呈階梯式減小的規(guī)律變化越來越明顯。造成這些的原因是試樣的厚度越薄，從而層數(shù)越多，當(dāng)然玻璃纖維中的也會逐漸增加。從另一方面進(jìn)行研究，纖維可以和樹脂相互結(jié)合到一起，其效果在厚層地減少下也會得到提高，包括它的斷裂強(qiáng)度也在增加。

同樣，拉伸強(qiáng)度還受切片層填充密度的影響，其拉伸強(qiáng)度是隨著填充密度的增加而變化。當(dāng)它的填充密度在60%～80%之間時，拉伸強(qiáng)度的增加會越來越明顯，當(dāng)超過80%時，其范圍從增強(qiáng)逐漸下降。這些都是由于不同層次之間玻璃纖維的距離逐步縮小造成的。因?yàn)楦鱾€玻璃纖維之間的分散得比較均勻，在不同層次之間纖維數(shù)量的增多的前提下，其材料的斷裂能力也在增加。有玻璃纖維的材料曲線和聚乳酸材料的曲線相對比，玻璃纖維材料的增加效果明顯。如果滿足切片層的厚度、填充密度等條件，玻璃纖維可以有效增加其拉伸斷裂強(qiáng)度[3]。

2.2 彎曲結(jié)果測試

切片層之間的厚度對其自身的彎曲強(qiáng)度有著較大的影響，二者存在著因變量值的增大而減小，或者減小而增大的關(guān)系?？梢哉f如果切片層的厚度越來越大，那么試樣層的彎曲強(qiáng)度會越來越小。這是因?yàn)?，在切片層之間的厚度越薄，原材料中的玻璃纖維也會越多。針對聚乳酸類的混合材料來說，玻璃纖維在此之中起著增強(qiáng)的作用。例如，如果各層次之間的厚度在0.1～0.3mm之間，其彎曲強(qiáng)度會越來越低;如果厚度達(dá)到0.3mm以上，0.5mm以下，該材料彎曲的強(qiáng)度下降趨勢會減緩[4]。

除此之外，材料的彎曲強(qiáng)度也會受填充密度的影響。如果填充密度逐漸增加，那么玻璃纖維也會逐漸增加。另外，在樹脂的結(jié)合下，與玻璃纖維都會促進(jìn)原材料強(qiáng)度的增加。因此當(dāng)不同層次的厚度與填充密度都一樣時，玻璃纖維的增加可以有效加強(qiáng)材料的彎曲程度[5]。因?yàn)椴ＡЮw維自身的拉伸強(qiáng)度和彎曲度都比較好，最終有利于彎曲材料的有效增加。從而得出切片層的填充密度和拉伸成正比例關(guān)系。尤其是在80%左右，玻璃纖維材料的力學(xué)性能顯著提高。

2.3 壓縮強(qiáng)度

由于玻璃纖維的質(zhì)量增大，材料的壓縮強(qiáng)度會呈減小趨勢。因?yàn)椴ＡЮw維取向方向?yàn)槠叫写蛴?，與壓縮的方向垂直，玻璃纖維作為一種拉伸較強(qiáng)，但受壓能力較小的材料，在其他材料的融合中，可以將密度不斷增大，有助于混合材料強(qiáng)度的增加。其中當(dāng)玻璃纖維的質(zhì)量為0.15mg時，組成材料的壓縮強(qiáng)度越大，大約是108兆帕。一旦玻璃纖維超過了0.15mg，熱塑材料將不會對玻璃纖維產(chǎn)生連接性，造成原材料的壓強(qiáng)減小[6]。

3? 結(jié)語

由上可知，3D打印隨著時代的發(fā)展越來越成熟，玻璃纖維3D打印也受到了關(guān)注，它的廣泛應(yīng)用拓寬了3D打印的類型。當(dāng)運(yùn)用3D打印技術(shù)制備材料時，由于成型技術(shù)的不同，打印的原料也各不相同。其中切片層厚和填充密度等一些參數(shù)相同時，在此之中，玻璃纖維的加入，進(jìn)一步增強(qiáng)基體的力學(xué)能力。

參考文獻(xiàn)

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[2] 馬亞標(biāo)，張守鋒，牛廣智，等.3D打印軌跡對玻璃纖維/ABS復(fù)合材料3D打印制品力學(xué)性能的影響[J].塑料工業(yè)，2020，48（9）：112-116.

[3] 張海強(qiáng)，杜俊斌，趙建華，等.FDM 3D打印機(jī)成型空間加熱保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2020（3）：141-145.

[4] 張皓，杜文風(fēng)，張帆.面向3D打印的纖維混凝土材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J].河南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2020，50（1）：108-117.

[5] 崔永輝，賈明印，薛平，等.連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料3D打印技術(shù)研究[J].塑料工業(yè)，2020，48（1）：51-54，77.

[6] Improving flexural characteristics of 3D printed geopolymer composites with in-process steel cable reinforcement[J] . Jian Hui Lim，Biranchi Panda，Quang-Cuong Pham.? Construction and Building Materials . 2018