三維編織光固化3D打印復合材料的制備及力學性能

權利軍 李丹丹 張春娥 祝成炎

摘要： 光敏樹脂固化后的低強力一直是阻礙光固化3D打印技術發展的主要因素，利用三維編織織物的結構特點彌補光固化3D打印構件強力弱的缺點，文章重點研究了在光固化3D打印技術的基礎上，結合三維編織技術制備3D打印復合材料的方式方法及對該種復合材料的力學性能進行測試分析。結果表明：三維編織光固化3D打印復合材料相對于純光敏樹脂材料，其彈性模量和拉伸斷裂強度顯著增加；高強聚乙烯紗線的增強效果最好，玻璃纖維紗線增強效果次之，碳纖維紗線增強效果最差。

關鍵詞： 復合材料；光固化3D打印；三維編織；斷裂強度；玻璃纖維；碳纖維

中圖分類號： TS102.1；TB332文獻標志碼： A文章編號： 10017003（2018）02001306引用頁碼： 021103

Preparation and mechanical properties of photocuring 3D Printing composite

by threedimensional weaving

QUAN Lijun， LI Dandan， ZHANG Chune， ZHU Chengyan

（National Engineering Lab for Textile Fiber Materials and Processing Technology， Zhejiang SciTech University，

Hangzhou 310018， China）

Abstract： The low strength of the cured photosensitive resin has been a major obstacle to the development of photocuring 3D printing technology. The threedimensional braided fabric is used to make up the shortcomings of photocuring 3D printing component. This paper focuses on the study of photocuring 3D printing technology which was combined with threedimensional braiding technology to produce photocuring 3D printing composite material， and its basic mechanical properties. The results show that the elastic modulus and tensile fracture strength of photocuring 3D printing based on the threedimensional weaving are significantly higher than that of the pure photosensitive resin material. The reinforcing effect of the high strength polyethylene yarn is the best， followed by the glass fiber yarn， and the reinforcing effect of carbon fiber yarn is the worst.

Key words： composite materials； photocuring 3D printing； threedimensional weaving； breaking strength； glass fiber； carbon fiber

光固化3D打印技術是快速成型技術的一種，在近幾年發展比較迅速，3D打印技術通常采用數字化的三維立體模型設計以逐層累積疊加的方式制作實物模型，是一種新型的快速成型制造技術[1]，在現代工業中越來越受到重視。光固化3D打印技術的基本工作原理是通過特定波長的強光集束成一定形狀的光影，再將光影投射入光敏樹脂液中連續液態光敏樹脂，形成一系列一定形狀的固態樹脂層片，然后在高度方向上累積疊加固化的樹脂層片形成完整的三維立體實物模型[2]。材料的硬度、強度、塑性、延展性、彈性、脆性是表征復合材料的重要指標，然而固化后的光敏樹脂一般強力較低，且尺寸精度較差，也正是由于固化后的光敏樹脂強度較低且尺寸精度較差，光固化后的立體模型容易發生翹曲和形變[34]。近些年來國內外研究人員在光固化3D打印技術及光敏樹脂的改性上做了大量研究，研究人員將短切纖維噴射在樹脂液的表面，再利用強光照進行固化以制備復合材料，也有研究人員在光固化的過程中添加非織造織物以提高固化實物的整體力學性能，然而這些方法在實際使用過程中受到多種條件的限制[57]。

復合材料中常將三維編織物加入其中作為增強體，有別于傳統的二維織物的是，三維結構織物在立體空間的三個方向上都編織有紗線[8]。因此將三維編織織物應用到復合材料的制備上，能更加優化復合材料的整體力學性能[9]，可以利用三維編織物在空間立體上力學性能優良的特點，優化光固化3D打印結構件力學性能差的缺點，同時也利用3D打印技術在三維立體制造中的優勢，改善三維編織過程中由于紗線剛性較小而使三維編織織物很難獨立保持理想的空間立體形態的弱點，研究三維編織光固化3D打印復合材料，對于新型復合材料的開發具有很大意義[1011]。本文重點研究如何將光固化3D打印技術和三維編織技術結合制備復合材料，以及該復合材料的基礎力學性能。

1實驗

1.1平臺構建

三維織造技術與3D打印技術結合以制備復合材料的設備及成型原理如圖1所示，該設備完全自主研發。它是將三維織造的方法步驟植入光固化3D打印的過程中，使紗線能夠按一定要求固化在光敏樹脂中，達到編織與固化同時進行的目的。光在固化一個切片厚度的光敏樹脂時的工作方式為：首先將升降臺停留在一定高度的位置，使液面靜止時只有一個層片厚度的光敏樹脂液留在打印平臺上，然后按照設計要求將豎直方向Z軸的紗線固定，再將XY平面上的紗線引入打印平臺并使其與Z方向上的紗線交織，將引入XY平面上的紗線壓平并靜置一段時間，等待液面靜止，完成以上步驟后即可開啟光影投射器開始打印工作。該設備中安裝有三個光影投射器，工作時三個光影投射器同時投射光影，且必須滿足兩個條件：1）光影投射器在投射的光影必須完全相同且重疊；2）三個光影投射器投射的光強必須相同。按以上方法即可將紗線按設定要求固化在光敏樹脂中。

圖2為打印平臺的俯視圖，俯視圖中豎直方向上，也就是Z軸方向上的紗線呈等間距排列，其中1、2、3代表光影投射器（表示有三個光源），可以將光源簡化為點光源，將等間距排列的紗線簡化為矩陣，如圖2中所示點。

因為實驗中使用的光敏樹脂必須在足夠強度的光照下才能發生固化，所以必須確保打印平臺上完全被光影覆蓋。若紗線與光敏樹脂間存在陰影區，陰影區的光敏樹脂并不會發生固化，這會使陰影區內的紗線浸泡在液態光敏樹脂中，而不是被固化在樹脂中，固相的紗線在液相的光敏樹脂中并不會起到增強作用，因此必須使打印區域內所有的光敏樹脂都發生固化。若光線沿圖2中方格所示從四個方向以平行光方式投射入打印平臺，則必然會在圖中A、B所示及類似位置形成陰影區域。同樣若點光源從四個方向以對稱位置方式投射入打印平臺，也會在打印區域內留下陰影區。

從矩陣λ中的直線方程可計算得出其中一條直線斜率k1=b-n1a-m1，另一條直線的斜率為k2=b-n2a-m2，若k1=k2則b-n1a-m1=b-n2a-m2，即a（n2-n1）+n1·m2=b（m2-m1）+m1·n2；若令a，b同為無理數且兩者不成倍數關系{a，b∈R-Q且a≠kb，k∈Z}，則只有m1=m2，n1=n2時等式才成立。所以可以得出：在朝向光影投射器1的方向上，每根Z軸方向上的紗線在與光敏樹脂液接觸處，也就是固液相交匯處都會被光影投射器1照射，同理可令c，d同為無理數且兩者無倍數關系，則在朝向光源2時每根Z軸方向上的紗線，其與光敏樹脂液接觸處都會被光源2照射。假設矩陣λ中一條直線x-m1a-m1=y-n1b-n1與矩陣γ中的一條直線x-m2c-m2=y-n2d-n2相交，則交點的橫坐標為：

x=（b-n1）·m1a-m1-（d-n2）·m2c-m2+n2-n1b-n1a-m1-d-n2c-m2（4）

令b-n1a-m1=s，d-n2c-m2=t，則（x-m1）·s-（x-m2）·t=n2-n1。已知a，b同為無理數且兩者不成倍數關系，其中m1≠m2，n1≠n2，則s、t也同為無理數且不成倍數關系，要使式（4）成立則x必為無理數。同樣可證得y也為無理數，即分別從直線矩陣λ，γ中各任選一條直線，兩直線的交點為矩陣p中的坐標點且橫縱坐標皆為無理數的點，所以當光源3的坐標為有理數時，其坐標點與矩陣p中每點構成的直線不會穿過這些無理數點。因此采用三個光源投射的光影會覆蓋X-Y平面上處于打印平臺區域內的各點而不出現陰影，在實際的操作過程中需要利用尺子做好三個光源和打印平臺的坐標點，通過計算使光源和打印平臺的相對位置滿足上述條件。因為實際測量過程中存在數據讀取上的偏差使得光源和打印平臺的位置難以滿足實驗條件，因此具體實驗中采用可以自由移動的打印平臺，只需微調打印平臺的位置使平臺上三個光源投射的光影在打印平臺上不產生陰影即可。

1.2儀器和材料

實驗過程中使用MOne（sla）型3D打印機（寧波智造數字科技有限公司），LandMark370.10萬能拉伸測試儀（MTS）；使用198.5tex的碳纖維紗線（日本東麗公司），205.7tex玻璃纖維紗線（南京玻璃纖維設計研究院），239.5tex高強聚乙烯紗線（寧波大成新材料股份有限公司），UV光敏樹脂（深圳市優銳科技有限公司）。

1.3拉伸試樣模型設計和制備

本文設計的復合材料拉伸式樣模型如圖3所示，試樣的厚度定為2mm。詳細的制備方法分為如下四步：1）按要求調整好三個光影投射器的位置，并利用切片軟件將3D模型切片處理，做好預打印工作；2）將紗線以圖4（a）中所示方式進行交織，然后再利用升降平臺將打印平臺升降到液面下一個切片厚度的高度上，此時打印平臺上液體的高度為一個切片層厚度；3）開啟光影投射器投射光影，使光敏樹脂液固化；4）當設備進入靜置階段時在該時間內再次以圖4（a）中所示的方式完成紗線交織。

2結果與分析

利用萬能拉伸測試儀對試樣進行拉伸測試，并對數據進行處理，測試中夾持距離為5.5mm，夾頭夾持力為5kPa，夾頭牽伸速度為2mm/min。

由圖5可知，嵌入紗線后復合材料的彈性模量都有明顯提高，三種復合材料的彈性模量比較接近。這表明嵌入紗線后復合材料的剛性得到改善，且嵌入高強聚乙烯紗線、玻璃纖維紗線，碳纖維紗線的三種復合材料的彈性模量分別提高196.58%、166.55%、153.51%。嵌入紗線后，復合材料的機械性能明顯優于純光敏樹脂。復合材料在受力的初始階段為彈性形變，此時紗線作為復合材料的一部分與整體同時開始受力，紗線在試樣中起到了增強作用，所以加入紗線后復合材料的彈性模量得到明顯提高。如圖5中斷裂點1、2、3、4，表示復合材料在被拉伸過程中所能承受的力的峰值，即表示此時復合材料已經逐漸開始發生斷裂。對比發現純光敏樹脂的原樣在斷裂點1出現后即發生完全斷裂，嵌入紗線的復合材料試樣在斷裂點2、3、4出現后不是立即斷裂。實驗表示，利用這種方法制備的復合材料在受到破壞性的拉力時，不會發生突然斷裂的現象。

如圖6所示，紗線在作為增強體添加入復合材料中后其拉伸斷裂強度有明顯增加，與原樣相比，在碳纖維紗線添加入復合材料后其拉伸斷裂強度提高22.5%，在玻璃纖維紗線添加入復合材料后其拉伸斷裂強度提高83.2%，更明顯的是在高強聚乙烯紗線添加入復合材料中后其拉伸斷裂強度較原樣有186.9%的提升。復合材料中添加的紗線起到了明顯的增強體作用，由于光敏樹脂的力學性能遠不及三種紗線的力學性能，纖維在復合材料中與樹脂間結合越牢固，復合材料在受到外界應力被拉伸過程中光敏樹脂與增強體紗線間越能共同承受更大應力而不發生滑移，紗線在復合材料中也越能充分發揮其增強體作用。

圖7（a）所示復合材料試樣在拉伸測試中，光敏樹脂與碳纖維間發生了明顯的滑移現象，大部分碳纖維并未被拉斷而不能充分起到增強作用。觀察切面，發現圖7（a）中碳纖維紗線與固化的光敏樹脂間界面明顯，分布在碳纖維紗線周圍及內部的光敏樹脂液固化形態較差，此種情況下光敏樹脂與碳纖維間的界面結合情況差，復合材料在受到外界應力時碳纖維紗線容易脫離復合材料這個整體而被從中抽離出來，因此碳纖維紗線的增強作用不充分；圖7（b）中高強聚乙烯纖維間散布有紅色固化的光敏樹脂，表示該種光敏樹脂液容易向聚乙烯纖維間滲透且能發生固化，此種情況下光敏樹脂能夠鎖死高強聚乙烯紗線，高強聚乙烯與光敏樹脂間的界面結合情況較好，高強聚乙烯紗線能夠在復合材料受力時起到很好的增強作用；圖7（c）中所示玻璃纖維間散布有紅色固化的光敏樹脂，纖維被固化的樹脂牢牢鎖定，因此當復合材料承受外界應力時玻璃纖維能夠作為整體充分分擔應力，發揮其增強體作用。由于碳纖維是黑色能夠很明顯阻擋光線的傳播，而高強聚乙烯纖維和玻璃纖維都為透明狀，光線能夠透過纖維繼續傳播，因此滲透入玻璃纖維紗線和高強聚乙烯紗線內部的光敏樹脂液能發生固化，從而起到錨定紗線的作用，增加這兩種紗線復合材料的拉伸斷裂強度。

3三維編織復合材料部件的3D打印實物示范

圖8為簡易的實物結構件的三維模型設計圖和采用本實驗中自制的設備制作的實物結構件。在實際的制作過程中一個切片層中的紗線編織方式如圖9所示，實驗過程中利用玻璃纖維紗線和高強聚乙烯紗線分別作為平面方向和豎直方向上的增強紗線。高強聚乙烯紗線在豎直方向上主要起到提高3D打印層片與層片間結合力的作用，玻璃纖維紗線主要起到增強結構件水平方向強度的作用。本實驗在實際制作過程中可以根據實驗者要求變換水平方向及豎直方向紗線的種類、張力、號數、編織方式及打印的實物形狀和該實物的層片厚度，該制備方法充分融合了三維編織技術和3D打印技術的優點，制備的復合材料性能優良，應用前景廣闊。

4結論

1）以三點光源的方式，能找到光源的一定放置位置使打印區域內完全被光照覆蓋。

2）嵌入編織紗線后的光敏樹脂基3D打印復合材料，其彈性模量和拉伸斷裂強度較純光敏樹脂都有很大提高，且嵌入高強聚乙烯紗線的復合材料其強度提高186.9%，彈性模量提高196.58%；嵌入玻璃纖維紗線的復合材料其強度提高83.2%，彈性模量提高166.55%；嵌入碳纖維紗線的復合材料其強度提高22.5%，彈性模量提高153.51%。

3）光敏樹脂液向高強聚乙烯紗線、玻璃纖維紗線內部滲透情況和固化形態較好，光敏樹脂向碳纖維紗線內部有滲透但固化不良。

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（a）control group； （b）S1； （c）S2； （d）S3