基于3D打印的竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲制備及其壓縮性能

張曉會， 楊 曈， 馬丕波

(江南大學 針織技術(shù)教育部工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

3D打印技術(shù)[1]是一種快速成形技術(shù)，利用數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，選擇專用的打印材料，通過層層堆積的方法構(gòu)造物體。利用計算機將模型切成一系列的“薄片”，然后將信息導入3D打印機，打印設(shè)備自下而上制造出“薄片”，堆積成形。20世紀80年代，美國科學家Charles Hull發(fā)明了3D打印并成立了3D Systems公司，3D打印逐漸走入人們生產(chǎn)和生活中[2]。與傳統(tǒng)加工制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)減少了模具制造和后期處理的繁雜工序，可直接實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的一次成型，生產(chǎn)工序簡單、產(chǎn)品制造周期短、成型速度快的獨特優(yōu)勢，掀起了“第3次工業(yè)革命”的浪潮。

中空結(jié)構(gòu)材料[3]具有密度低、質(zhì)量輕和電荷傳輸長度低的特點，在能量吸收、藥物輸送、水凈化等方面具有廣泛的應(yīng)用。相關(guān)研究表明，中空單絲作為一種功能性中空材料，在實現(xiàn)材料輕量化的同時可減少其性能損失[4-6]，提高復合材料的抗壓性能，增強織物的保暖性等[7-9]。竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲是基于具有優(yōu)異抗壓縮性能的竹節(jié)仿生學原理，制備類似于竹節(jié)結(jié)構(gòu)的中空單絲。中空單絲的常用制備方法為異型噴絲板法，設(shè)計和制造合適的噴絲板是制備中空單絲的關(guān)鍵技術(shù)，但噴絲板模具的制造需要經(jīng)過精確的計算，既涉及高聚物的流變學，又涉及到模具的機械加工，制造過程繁瑣，周期長[10]，尤其是制備竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲的技術(shù)難度更大。

3D打印技術(shù)雖然不能完全替代傳統(tǒng)制造業(yè)進行量化生產(chǎn)，但在個性化定制方面優(yōu)勢明顯，在紡織服裝領(lǐng)域的應(yīng)用也較為廣泛[11-12]。基于3D打印的優(yōu)勢，將3D打印技術(shù)與中空單絲的生產(chǎn)結(jié)合起來，可實現(xiàn)竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲的制備。本文以聚酯(PET)為耗材，采用熔融沉積成形(FDM)技術(shù)，制備了竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲和實心單絲，通過抗壓性能測試，利用有限元分析探討間隔絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)對經(jīng)編間隔織物壓縮性能的影響，以期為擴大中空單絲的應(yīng)用范圍提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 材料與原理

選擇聚酯(PET)作為耗材，PET的基本性能符合單絲的制備要求，可在較大的溫度范圍(220～245 ℃)內(nèi)進行打印，購自海螺號3D打印夢想店。

本文實驗采用FDM技術(shù)制備3D打印單絲，打印原理為將耗材加熱至熔融狀態(tài)后從噴頭擠出，形成“薄片”層，然后沿打印機的z向移動，層層堆積得到完整結(jié)構(gòu)[13-14]。

1.2 實驗儀器

MakerBot Replicator 2X型3D打印機(噴頭直徑為0.4 mm，美國Makerbot公司)；DinoCapture型顯微鏡(安鵬科技股份有限公司)；同步輻射X射線微型計算機、Model E43型萬能材料試驗機(美特斯(MTS)公司)。

1.3 竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲的制備

1.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲由實心和空心部分有規(guī)律的組合而成，具有竹節(jié)效應(yīng)，內(nèi)部的空腔均勻但不連續(xù)，空腔內(nèi)有規(guī)律地分布著實心結(jié)構(gòu)。竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲參數(shù)如表1所示。實驗用單絲長度均為 100 mm，外徑均為2 mm。1#為實心單絲，2#～6#為竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲。假設(shè)竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲最小單元長度為10 mm，包括1個相連的實心和空心部分，表1中“實心/空心”即為最小單元中實心與空心的比例；由于6種單絲材料相同，以1#單絲最小單元質(zhì)量占比記為100.0，根據(jù)單絲體積比得到2#～6#單絲質(zhì)量占比。

表1 竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲規(guī)格參數(shù)Tab.1 Specifications of monofilaments

1.3.2 制備流程

3D打印單絲制備流程包括建模、切片和打印。首先，利用UG(Unigraphics NX)軟件建立單絲的三維模型。UG軟件是一個交互式系統(tǒng)(CAD/CAM)，可實現(xiàn)各種復雜結(jié)構(gòu)的建模；然后將模型從UG軟件導入MakerBot軟件進行切片處理；最后完成切片處理，輸出打印文件，通過SD卡復制到打印機，進行模型打印。

圖1示出3D打印單絲制備示意圖。可知：噴頭沿左右移動，形成具有一定長度的單絲；噴頭前后移動，滿足單絲的直徑要求。制備實心單絲時，噴頭均勻連續(xù)擠出材料；制備竹節(jié)結(jié)構(gòu)單絲時，噴頭間歇性擠出材料，實心部分材料緊密堆積，而中空部分無材料堆積，形成空腔。

圖1 3D打印單絲制備示意圖Fig.1 Fabrication process of 3D printing monofilament

1.3.3 單絲結(jié)構(gòu)分析

3D打印單絲樣品如圖2所示。由圖2(a)、(b)可知，竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲的中空部分自上而下逐漸減少，表面竹節(jié)效應(yīng)明顯，而實心單絲表面光滑。造成這種現(xiàn)象的主要原因是，打印過程中實心單絲的支撐力在長度方向是恒定的，而竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲的形狀在實心與中空之間變化，中空部分材料因支撐力較弱而向內(nèi)部沉積，因此，中空部分相對凹陷，實心部分相對凸出，形成類似竹節(jié)的效應(yīng)。利用DinoCapture顯微鏡對3D打印的實心、中空單絲樣品進行部分橫截面取樣，其圖像如圖2(c)、(d)所示。

圖2 3D打印單絲樣品Fig.2 3D printing monofilaments. (a) Diagrammatic; (b)Monofilaments; (c) Cross-section of solid part; (d) Cross-section of hollow part

截取竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲最小單元，通過同步輻射X射線微型計算機斷層掃描(SR-μCT)對其三維微觀結(jié)構(gòu)進行表征，結(jié)果如圖3所示。

圖3 竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲的三維圖像Fig.3 3-D images of bamboo-like hollow monofilament.(a) 3-D volume image; (b) Longitudinal section image

由圖3可以看出，單絲具有明顯的竹節(jié)效應(yīng)，但由于3D打印層層堆積的原理，單絲層與層表面間銜接的痕跡也較為明顯。

1.4 測試與表征

1.4.1 單絲壓縮性能測試

根據(jù)FZ/T 01051.2—1998《紡織材料和紡織制品 壓縮性能 第2部分：連續(xù)壓縮特性的測試》和經(jīng)編間隔織物間隔絲彎曲理論，設(shè)計單絲的單次壓縮性能測試。

采用萬能材料試驗機進行單絲壓縮性能測試，裝置如圖4所示。可知，在壓盤上下表面覆蓋硅橡膠，增大單絲頭端與壓盤之間的摩擦力，阻止單絲頭端在壓盤表面的滑移。采用定壓縮率方法測試單絲的單次壓縮性能，壓縮率設(shè)定為50%，壓縮速度為5 mm/min。

圖4 萬能材料試驗機試驗示意圖Fig.4 Experiment diagram of universal material testing machine. (a) Experimental schematic; (b) Plates covered by silicone rubber

1.4.2 單絲壓縮性能表征

利用有限元軟件ABAQUS模擬單絲幾何模型的建立和壓縮過程，以獲得單絲壓縮過程中各部分的應(yīng)力分布情況。進行有限元分析時，對模型做如下假設(shè)：1)單絲的壓縮是單次的，忽略單絲軸向的壓縮破壞且假設(shè)單絲長度不變；2)假設(shè)單絲的截面為規(guī)則的圓形；3)為避免單絲的壓縮破壞，給單絲施加1個可忽略不計的撓度，保證單絲在軸向載荷的作用下產(chǎn)生彎曲變形。

1.4.3 織物壓縮性能表征

利用有限元軟件進行經(jīng)編間隔織物壓縮性能的模擬，選用竹節(jié)結(jié)構(gòu)單絲作為間隔絲，探討間隔絲結(jié)構(gòu)對經(jīng)編間隔織物壓縮性能的影響。

經(jīng)編間隔織物是由間隔層和表面層組成的三維結(jié)構(gòu)，間隔絲兩端以線圈的形式固定在上下2個表面，在織物變形過程中基本不產(chǎn)生滑移?？椢锏目箟盒阅苤饕荛g隔層幾何結(jié)構(gòu)的影響。為簡化經(jīng)編間隔織物的幾何結(jié)構(gòu)，對織物的有限元模型做如下假設(shè)：1)織物的抗壓性能由間隔絲承擔，忽略表面結(jié)構(gòu)的影響，將織物的表面層簡化為2塊各向同性的薄板；2)間隔絲在壓縮過程中不產(chǎn)生軸向破壞，長度在壓縮過程中保持恒定；3)間隔絲兩端與織物表層緊密相連，在織物變形過程中不產(chǎn)生滑移。

織物表面層厚度為0.34 mm，面積為25 cm2，間隔絲為表1所示的6種類型單絲，模型對應(yīng)3D打印單絲的結(jié)構(gòu)，但直徑僅為3D打印單絲的1/10。選擇直徑為5 cm的半球?qū)椢镞M行壓縮。

建立好經(jīng)編間隔織物的有限元模型后，賦予模型材料(間隔絲)屬性，織物厚度為10.68 mm，材料(間隔絲)屬性設(shè)置如表2所示。共制備得到6種經(jīng)編間隔織物編號為S-1～S-6。添加分析步后進行載荷和邊界條件設(shè)置，織物的下表面層固定不動，不發(fā)生位移，上表面設(shè)置向下的位移，表面層兩側(cè)設(shè)置對稱約束?？紤]間隔絲在壓縮過程中可能產(chǎn)生接觸，設(shè)置接觸參數(shù)的切向為庫侖接觸，法向為硬接觸，摩擦系數(shù)為0.24。壓縮過程中壓頭向下運動3 mm。

表2 材料屬性設(shè)置Tab.2 Specifications of materials

2 結(jié)果與分析

2.1 單絲壓縮性能分析

觀察實驗過程中單絲的變形情況，得到壓縮應(yīng)變分別為 0%、10%、20%、30%、40%、50%時單絲的狀態(tài)如圖5所示。可以看出，在壓縮過程中，單絲頭端未產(chǎn)生滑移。

圖5 不同壓縮應(yīng)變下單絲的變形情況Fig.5 Deformation of monofilament with different strains

3D打印單絲壓縮載荷-位移曲線如圖6所示?？芍瑔谓z載荷-位移曲線變化趨勢一致，說明單絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)只影響單絲承受載荷的大小，不影響單絲的壓縮變形機制。壓縮的初始階段，單絲頂端受壓，載荷迅速增大；隨著位移的增加載荷保持平穩(wěn)，當位移為40 mm時，載荷隨著位移的增加有下降趨勢。在實驗初始階段，單絲垂直排列，當上壓盤與單絲表面接觸，單絲軸向受壓載荷迅速增大；隨后單絲開始彎曲，產(chǎn)生彎曲載荷，隨著位移的增大彎曲載荷應(yīng)該有增大的趨勢，但實驗顯示載荷基本保持不變，分析原因可能是硅橡膠的緩沖作用使原本就較小的載荷變化更不明顯，故無法檢測出來。當位移大于 40 mm 時，即壓縮應(yīng)變超過40%后，單絲撓度最大部分內(nèi)側(cè)的壓應(yīng)力與外側(cè)的拉應(yīng)力超過了單絲的承受極限，載荷開始下降。

圖6 3D打印單絲載荷-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves of 3D printing monnofilaments

2.2 單絲壓縮性能有限元分析

2.2.1 單絲載荷-位移曲線分析

單絲載荷-位移曲線如圖7所示。由圖7(a)可知，單絲載荷-位移曲線的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果趨勢相同。模擬結(jié)果可更加清晰地顯示出壓縮過程的3個階段：初始階段，單絲頭端受到載荷作用，壓縮載荷迅速增大打破原有的平衡狀態(tài)，但這一階段非常短，單絲立刻彎曲變形進入彎曲階段；彎曲階段，隨著位移的增加，單絲的載荷緩慢增加至最大壓縮載荷；屈服階段，單絲彎曲最大部分外側(cè)拉應(yīng)力和內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力超過單絲能承受的極限，單絲外側(cè)產(chǎn)生拉伸變形，內(nèi)側(cè)產(chǎn)生壓縮變形，使單絲最大彎曲變形處出現(xiàn)折痕，單絲承受載荷的能力開始降低。

由圖7(b)可知，將單絲承受的載荷與其質(zhì)量關(guān)聯(lián)，可得到單絲單位質(zhì)量承受的載荷-位移關(guān)系曲線。竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲單位質(zhì)量承受載荷的性能優(yōu)于實心單絲，且隨著單絲中空部分所占比例的增加而增強。分析產(chǎn)生上述情況的可能原因是，竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲的每個最小單元像一個個單獨的壓桿，竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲的抗壓作用是這些壓桿共同作用的結(jié)果，在某種程度上增強了材料抵抗彎曲變形的能力。

圖7 單絲載荷-位移曲線Fig.7 Load-displacement (a) and load per unit mass-displacement curve(b) of monofilaments

2.2.2 單絲應(yīng)力分布分析

圖8示出單絲壓縮過程中應(yīng)力分布情況。可以看出：在初始壓縮階段，幾種單絲的應(yīng)力主要集中在單絲的兩端；隨著單絲的彎曲，實心單絲的應(yīng)力集中部分轉(zhuǎn)移到單絲彎曲的中間部分，并隨著壓縮應(yīng)變的增大沿長度方向逐漸向兩端蔓延。

圖8 單絲壓縮過程中的應(yīng)力分布情況Fig.8 Stress distribution of monofilaments during compressing process

竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲產(chǎn)生彎曲后，應(yīng)力集中出現(xiàn)在單絲撓度最大的區(qū)域，但僅分布在其實心部分；且隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力從單絲撓度最大的點向兩側(cè)擴散，與其他應(yīng)力集中點結(jié)合并繼續(xù)向兩端蔓延。實際上，竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲的竹節(jié)效應(yīng)是將多個壓桿的作用結(jié)合，不僅起到了很好的抗壓作用，同時極大地改善了應(yīng)力集中情況，起到了很好的應(yīng)力分散作用。竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲實心與中空部分的比例，是影響應(yīng)力分布的重要因素。竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲實心部分所占的比例越大，單絲出現(xiàn)應(yīng)力集中部分的長度越長。

2.2.3 單絲高度變化分析

根據(jù)單絲單次壓縮后高度的變化，可表征單絲的回彈性。單絲單次壓縮后的高度減少量如圖9所示?？芍?，竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲中空部分所占比例越大，單絲高度損失量越少，回彈性越好。當實心/中空部分比例大于或等于3/7后(如圖中4#、5#、6#單絲)，竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲的高度減少量大于實心單絲，即回彈性沒有實心單絲好。分析可能的原因是，當竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲的實心/中空比例增大后，壓縮過程中，實心部分對回彈性的影響大于中空部分，實心與中空部分連接的地方彎曲后不易回彈，單絲高度減少量更加明顯。

圖9 單絲單次壓縮后的高度減少量Fig.9 Height reduction of samples after single compression

2.3 織物壓縮性能有限元分析

2.3.1 織物能量分析

為驗證經(jīng)編間隔織物壓縮過程是否為準靜態(tài)過程，提取了壓縮過程中的能量變化，織物動能-位移與內(nèi)能-位移曲線如圖10所示。可知，壓縮過程中，動能始終為零，而內(nèi)能隨著位移的增加呈非線性增長的趨勢，外力所做的功幾乎全部轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)能，所以可將模擬看成是準靜態(tài)的。在壓縮過程進行的每個瞬間，系統(tǒng)都接近于平衡狀態(tài)，織物保持在彎曲平衡狀態(tài)中。

圖10 織物的能量變化曲線Fig.10 Energy-change curves of fabric

2.3.2 織物載荷-位移分析

織物壓縮過程中載荷-位移關(guān)系如圖11所示。可以看出，織物的載荷-位移曲線趨勢相同，說明間隔絲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)只影響織物承受的壓縮載荷的大小，并不影響織物的壓縮變形機制。在單絲外徑相同的情況下，由實心單絲作為間隔絲制備的經(jīng)編間隔織物(S-1)承受壓縮載荷的能力最好。其中竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲制備的織物隨著單絲中空部分所占比例的減小，承受載荷的能力逐漸增強。將織物承受載荷的能力與其質(zhì)量關(guān)聯(lián)，可得到織物單位質(zhì)量承受的載荷-位移的關(guān)系(見圖11(b))，竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲制備的織物單位質(zhì)量可承受更多的載荷，其中竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲制備的織物隨著中空部分比例的增加，承受載荷的能力逐漸增強。由不同單絲制備的經(jīng)編間隔織物在受到軸向力作用時，載荷-位移的變化關(guān)系與3D打印單絲一致。

圖11 織物壓縮過程中載荷-位移曲線Fig.11 Load-displacement curve (a) and load per unit mass-displacement(b) of fabrics

2.3.3 織物位移變化分析

圖12 應(yīng)力在織物表面?zhèn)鬟f形式Fig.12 Form of sress transfer on fabric surface. (a) Displacement nephogram after compression; (b) Simulative surface profile

經(jīng)編間隔織物受到球型壓頭壓縮時，除與球面接觸部位會發(fā)生變形外，由于應(yīng)力的擴散作用，壓頭周圍的織物也會發(fā)生相應(yīng)的變形，所以通過分析織物軸向位移的變化，可得出應(yīng)力在織物表面的傳遞形式如圖12所示。由圖 12(a)可知，織物表面與壓頭接觸后，應(yīng)力沿織物表面向四周傳播，織物發(fā)生變形，間隔絲彎曲，織物軸向位移變化。由圖12(b)找出織物表面有位移變化的最大輪廓，取壓頭與織物最先接觸的點為中心點，沿經(jīng)向每隔2 mm在最大輪廓線上取一點，沿緯向位移變化密集處每隔2 mm取一點，并根據(jù)織物的對稱性，補全余下 3/4 模型表面的點，共取64個點，畫出織物表面位移變化的最大輪廓線。根據(jù)球型壓頭的對稱性，壓頭與織物表面接觸條件一致，但模擬織物表面輪廓近似橢圓形，說明模擬的經(jīng)編間隔織物為各向異性材料，這與實際的經(jīng)編間隔織物屬性相符，驗證了經(jīng)編間隔織物模擬結(jié)果的有效性。

3 結(jié) 論

1)3D打印技術(shù)作為一種先進的加工生產(chǎn)技術(shù)，可實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)單絲的制備，制備的實心單絲、竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲可滿足實驗的基本要求。

2)3D打印單絲抗壓性能實驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果都表明：質(zhì)量相同時，竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲的抗壓性能優(yōu)于實心單絲；竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲單位質(zhì)量能承受的載荷隨著其中空部分的增加而增加。

3)經(jīng)編間隔織物壓縮性能研究有限元分析表明：間隔絲的結(jié)構(gòu)會影響織物的抗壓性能；質(zhì)量相同的情況下，由竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲制備的經(jīng)編間隔織物能承受更多的壓縮載荷，織物能承受的載荷與竹節(jié)結(jié)構(gòu)中空單絲中空部分所占比例成正相關(guān)。