以柔性聚乳酸為材料的織物組織立體打印參數設計

程燕婷， 孟家光， 支 超

(西安工程大學 紡織科學與工程學院， 陜西 西安 710048)

3D打印技術也被稱為三維打印或立體打印，最早由美國麻省理工學院于1993年開發[1]，該技術是快速成型技術中的一種，被稱為第三次工業革命[2]。熔融層積成型(fused deposition modeling，簡稱FDM)技術又稱為熔融堆積技術，屬于3D打印技術中的一種，該技術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，在打印頭內高溫熔融，打印頭沿著設計模型的輪廓和填充軌跡在水平面內運動，材料熔融成為半流動狀態后被打印頭擠出在指定位置，層層堆積最后形成實物模型[3]。FDM技術工藝環保、簡單、安全、易于操作，設備材料體積小，可在辦公室環境下進行，不產生廢棄物，材料價格便宜，材料的利用率高達95%以上。

3D打印技術應用范圍廣泛，其在紡織服裝行業的應用是當今一大熱潮[4]。目前成衣市場的需求正日益趨向個性化、多元化，而3D打印技術為成衣市場帶來了革新。將3D打印技術和服裝結合起來，為服裝行業帶來了新技術和新機遇[5-6]。織物組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有很大影響。目前國內研究者很少有對于3D打印織物組織的研究，對于其使用打印材料的打印參數的研究少之又少。

FDM技術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，其力學性能及物理性能良好，打印時不會像ABS那樣產生刺鼻的味道。使用PLA耗材打印，材料熔化后易附著和延展，不用擔心模型會發生翹邊問題[7-8]。

FDM技術在打印過程中，拉絲、斷絲、堵頭現象的出現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、設備、軟件確定的情況下，工藝參數設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技術在3D打印機中對柔性PLA材料的打印參數進行研究，得到適合于立體打印織物組織的最佳打印參數，以期為立體打印服裝的發展提供參考。

1 打印原理及儀器

1.1 打印原理

FDM技術打印原理為：在三維設計軟件中設計好三維模型，以.stl文件格式導入切片軟件中，切片軟件自動將三維模型數據分層，生成模型的路徑輪廓和必要的支撐路徑。將切片信息導入打印機中，打印機讀取信息，將噴頭加熱至設定的溫度，打印材料熔融噴絲，打印頭根據物體切片輪廓信息在X-Y平面內運動，形成每層的路徑輪廓。一層打印結束以后，打印平臺下降一個分層厚度，再接著下一層打印，直至形成完整的實物模型[12]。FDM技術的原理如圖1所示。

圖1 FDM技術原理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準工業級3D打印機。

2 打印參數

2.1 成型溫度

成型溫度包括噴嘴溫度和環境溫度。噴嘴溫度是打印機接受指令后將噴嘴加熱到設定的工作溫度，環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、黏結性及堆積性能等。噴嘴溫度與打印材料的黏性系數成反比，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，材料更加易于流動，材料的擠出速度變大，擠出絲變粗，從而導致模型出現拉絲和開裂現象；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，噴嘴溫度設置到最佳狀態，可使打印材料始終保持熔融狀態，可均勻出絲。

通過對柔性PLA打印材料的熱性能分析得出，打印材料的溫度應設置在165.5～205 ℃之間。分別將打印頭的打印溫度設置為(165±1)、(175±1)、(185±1)、(195±1)、(205±1)℃ 5個不同的噴嘴溫度，讓打印機開始工作，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 ℃噴嘴溫度狀態下的細絲出絲不均勻，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絲擠出效果圖，左側的細絲是在噴嘴溫度為195 ℃條件下擠出的，右側的細絲是在噴嘴溫度為205 ℃條件下擠出的。可明顯看出：195 ℃條件下擠出的細絲出現不連續的現象，打印頭不能順利地擠出細絲；而205 ℃條件下從打印頭噴出的細絲出絲正常，細絲連續，無斷絲現象。通過多次試驗對不同打印溫度下噴出的細絲做對比，得出最佳的噴嘴溫度為205 ℃。

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

2.1.2環境溫度

環境溫度對于打印模型的外觀質量有一定影響。如果打印室內溫度過高，噴頭擠出的細絲前一層還未完全固化，后一層已經開始堆積，噴頭后一層的擠出細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，出現拉絲現象。如果打印室內溫度太低，從噴嘴擠出的細絲在外界溫度影響下突然冷卻，使得前一層已經完全冷卻凝固，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，打印模型產生分層開裂現象。通過調節室內溫度，在不同溫度下進行打印，分析擠出細絲的效果發現：當室內溫度高于23 ℃時，打印模型表面有拉絲現象；當室內溫度低于23 ℃時，模型有開裂現象，因此，室內溫度23 ℃為最佳環境溫度。

2.2 分層厚度

分層厚度是指將三維數據模型進行切片時每層切片截面的厚度。分層厚度會使得模型層與層之間產生一定高度，出現“臺階”現象。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，表面質量效果較好，但是模型在分層時層數變多，需要打印的時間變長。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，但是模型分層時層數變少，打印時間短，打印速度快[14-15]。通過設置不同分層厚度發現：當層厚低于0.02 mm時，切片層數較多，模型打印時間長；當層厚大于0.02 mm時，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。

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2.3 填充速度和擠出速度

噴嘴在水平面內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，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量[16]，其關系如下式所示：

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，甚至表面產生小結節。如果填充速度太大，打印頭則發生顫動，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量都有重要影響。如果填充速度比擠出速度大很多，會導致材料在噴頭中熔融后還未噴絲，打印頭已開始移動打印，產生斷絲現象，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，二者應合理配置，填充速度變大，擠出速度也應該相應增大。經過試驗研究，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技術的打印過程為：設計三維模型→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軟件中設計的緯平針組織模型進行切片分層，得到gcode格式的切片信息。將切片信息導入打印機中，設置打印參數為：打印溫度205 ℃，環境溫度23 ℃，分層厚度0.2 mm，填充速度80 mm/s，擠出速度130 mm/s。在室內溫度為23 ℃的環境中進行打印，對打印出的組織模型進行后處理，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條件下打印出的緯平針組織的打印效果與模擬效果相當，可表現出紗線線圈之間相互串套的關系，緯平針組織的正面線圈效應和反面線圈效應可很好地體現出來，打印組織上沒有拉絲、斷絲、材料焦黃、結塊等現象，外表光滑，在最佳打印參數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 論

1)通過FDM技術在3D打印機中對柔性PLA材料在不同打印參數條件下進行測試，得到柔性PLA材料的最佳打印參數：打印溫度為205 ℃，環境溫度為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)在最佳打印參數下對設計的緯平針組織進行打印發現，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系。采用柔性PLA材料在最佳打印參數下打印出的緯平針組織適合于立體打印服裝。

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