3D打印緯編單面不均勻提花面料

程燕婷,孟家光,薛 濤,支 超,王彥杰

(1.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048; 2.西安工程大學(xué) 功能性紡織材料及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710048)

3D打印技術(shù)是增材制造或增量制造的一種快速成型技術(shù),該技術(shù)將三維立體模型產(chǎn)品在軟件中進(jìn)行切片處理后,通過(guò)材料熔融、激光照射等方法對(duì)打印材料進(jìn)行逐層疊加添加,快速形成三維立體產(chǎn)品[1-3]。熔融沉積成型(FDM)技術(shù)是一項(xiàng)3D打印技術(shù),將長(zhǎng)絲狀的熱塑性耗材通過(guò)打印噴頭加熱為熔融狀態(tài),打印噴頭按照模擬路徑在打印平臺(tái)移動(dòng),將材料逐層沉積,形成三維立體產(chǎn)品[4-5]。

當(dāng)前市面上的針織提花產(chǎn)品均由電腦橫機(jī)和電腦圓機(jī)編織,生產(chǎn)中需要不斷試織小樣,浪費(fèi)時(shí)間和原材料[6]。FDM技術(shù)無(wú)污染,操作簡(jiǎn)便,材料綠色環(huán)保,可縮短服裝生產(chǎn)周期,實(shí)現(xiàn)量體裁衣,滿(mǎn)足消費(fèi)者的個(gè)性化需求[7]。因此,近年來(lái)FDM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于紡織服裝行業(yè),為傳統(tǒng)服裝生產(chǎn)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級(jí)提供了新的方向,并對(duì)服裝的材質(zhì)、工藝、色彩、款式等方面產(chǎn)生了重要影響[8]。

目前,國(guó)內(nèi)外3D打印服裝的面料手感偏硬,款式比較單調(diào),3D打印針織面料的結(jié)構(gòu)中緯平針組織最為常見(jiàn),國(guó)內(nèi)外還未曾有對(duì)緯編單面不均勻提花組織3D打印面料的報(bào)道[9]。3D打印面料組織結(jié)構(gòu)單一使3D打印服裝的發(fā)展受到限制,不利于3D打印服裝的市場(chǎng)發(fā)展。本文通過(guò)對(duì)柔性聚乳酸(PLA)打印材料的性能進(jìn)行測(cè)試及分析,證明其適合作為制備3D打印緯編單面不均勻提花面料的柔性打印材料,并對(duì)緯編單面不均勻提花組織進(jìn)行三維模擬;通過(guò)FDM技術(shù)對(duì)緯編單面不均勻提花組織模型進(jìn)行打印,制備出3D打印緯編單面不均勻提花面料,并對(duì)打印面料的相關(guān)性能進(jìn)行測(cè)試分析。通過(guò)緯編單面不均勻提花面料的制備可豐富3D打印面料的外觀和結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)3D打印服裝產(chǎn)品的個(gè)性化、生態(tài)化需求,為紡織服裝行業(yè)提供更多元的發(fā)展路徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

實(shí)驗(yàn)材料:柔性聚乳酸(PLA,直徑1.75mm,珠海天威飛馬打印材料有限公司);腈綸紗(62 tex×2,無(wú)錫裕盛紗線(xiàn)有限公司)。

實(shí)驗(yàn)儀器:“天威”Colido X3045準(zhǔn)工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)(珠海天威泛凌貿(mào)易有限公司);Gemini SEM 360場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(德國(guó)蔡司公司);IRTracer-100傅里葉變換紅外光譜儀(日本島津公司);Dmax-Rapid II X射線(xiàn)衍射儀(日本理學(xué)公司);INSTRON 3365萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)(美國(guó)英斯特朗公司);YG(B)026D型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州大榮紡織儀器有限公司);LLY-01B型電子硬挺度儀(萊州市電子儀器有限公司);YG461E-Ⅲ全自動(dòng)透氣量?jī)x(寧波紡織儀器廠(chǎng));YG(B)216X型織物透濕量?jī)x(溫州大榮紡織儀器有限公司);CMS530 HP型斯托爾電腦橫機(jī)(7.2針,德國(guó)斯托爾有限公司);3D Studio Max(3Ds Max)2022軟件(Discreet公司);V2.0.1 Repetier-Host軟件(Repetier公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 組織建模

在電腦橫機(jī)上對(duì)腈綸紗線(xiàn)進(jìn)行緯編單面不均勻提花面料的編織,面料橫密40線(xiàn)圈/(10cm),縱密60線(xiàn)圈/(10cm)。

對(duì)編織的單面不均勻提花面料實(shí)物進(jìn)行測(cè)量,經(jīng)多次實(shí)驗(yàn),得出線(xiàn)圈各參數(shù)計(jì)算公式如下:

w=4.86d

(1)

h=1.94d

(2)

l=1.5d

(3)

式中:w為線(xiàn)圈圈距,mm;h為圈高,mm;l為面料厚度,mm;d為紗線(xiàn)直徑,mm。

取紗線(xiàn)直徑d為1mm,則圈距w為4.86mm,圈高h(yuǎn)為1.94mm,面料厚度為1.5mm。根據(jù)線(xiàn)圈之間的幾何關(guān)系,計(jì)算出緯編單面不均勻提花組織線(xiàn)圈軸線(xiàn)控制點(diǎn)的坐標(biāo),在3Ds Max軟件中,采用NURBS曲線(xiàn)建模的方法,根據(jù)控制點(diǎn)坐標(biāo),對(duì)緯編單面不均勻提花組織的紗線(xiàn)路徑進(jìn)行模擬[10]。以直徑為1mm的圓形為“放樣”對(duì)象,建立緯編單面不均勻提花組織模型。

1.2.2 面料打印

采用V2.0.1 Repetier-Host軟件將緯編單面不均勻提花組織三維模型切割成逐層的截面,并將此信息傳輸?shù)健疤焱盋olido X3045準(zhǔn)工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)。采用PLA專(zhuān)用玻璃平臺(tái)對(duì)模型進(jìn)行打印。在220℃高溫條件下打印材料變?yōu)槿廴跔顟B(tài),通過(guò)打印噴頭擠出后固化,噴頭的擠出速度為130mm/s,打印速度為90mm/s,打印噴頭通過(guò)逐層疊加的方式對(duì)緯編單面不均勻提花組織模型進(jìn)行噴絲打印,打印的層高為0.2mm,沉積方向?yàn)?0°,填充率為93%。每完成1層成型,打印平臺(tái)下降0.2mm,打印噴頭再進(jìn)行下1層的掃描路徑運(yùn)動(dòng),通過(guò)多層打印,整個(gè)三維模型打印完成。對(duì)打印后的模型進(jìn)行去支撐、打磨等后處理,得到3D打印緯編單面不均勻提花面料。

1.3 性能測(cè)試與表征

1.3.1 掃描電鏡測(cè)試

采用Gemini SEM場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)噴絲前(直徑1.75mm)和噴絲后(直徑0.20mm)的柔性PLA材料的縱向形態(tài)進(jìn)行觀察,分析柔性PLA材料高溫熔融前后的外觀形貌變化。

1.3.2 紅外光譜(FTIR)測(cè)試

采用IRTracer-100傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)噴絲前(直徑1.75mm)和噴絲后(直徑0.20mm)的柔性PLA進(jìn)行紅外光譜測(cè)試,分析材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)。

1.3.3 X射線(xiàn)衍射測(cè)試

采用Dmax-Rapid II X射線(xiàn)衍射儀對(duì)噴絲前(直徑1.75mm)和噴絲后(直徑0.20mm)的柔性PLA材料進(jìn)行X射線(xiàn)測(cè)試,測(cè)試電壓為40 kV,測(cè)試電流為250 mA,掃描角度范圍為10°～90°,曝光時(shí)間為1 500 s。

1.3.4 拉伸性能測(cè)試

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下,采用INSTRON 3365萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)面料的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試。設(shè)置夾持點(diǎn)隔距長(zhǎng)度為80mm,拉伸速度500mm/min,預(yù)加張力27 cN,每組試樣測(cè)試20次,取平均值。

1.3.5 頂破性能測(cè)試

參考GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強(qiáng)力的測(cè)定 鋼球法》,采用YG(B)026D型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)對(duì)面料的頂破性能進(jìn)行測(cè)試。試樣直徑為60mm,頂破鋼球下降速度為100mm/min,每組試樣測(cè)試5次,取平均值。

1.3.6 剛?cè)嵝阅軠y(cè)試

參考ZB W04003—1987《織物硬挺度實(shí)驗(yàn)方法 斜面懸臂法》,采用LLY-01B型電子硬挺度儀對(duì)面料剛?cè)嵝阅苓M(jìn)行測(cè)試。試樣尺寸為20mm×15mm,面料縱、橫向各測(cè)試4次,取平均值。

1.3.7 透氣性能測(cè)試

參考GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》,采用YG461E-Ⅲ全自動(dòng)透氣量?jī)x對(duì)面料的透氣性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試壓差100 Pa,測(cè)試面積20cm2,試樣直徑70mm。各試樣不同部位測(cè)定10次,取平均值。

1.3.8 透濕性能測(cè)試

參考GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第1部分:吸濕法》,采用YG(B)216X型織物透濕量?jī)x對(duì)面料的透濕性能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)溫度為38℃,實(shí)驗(yàn)濕度為90%,實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為0.4 m/s,實(shí)驗(yàn)時(shí)間為1 h,試樣直徑為70mm。每組試樣測(cè)量3次,取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料性能表征

2.1.1 掃描電鏡分析

噴絲前(直徑1.75mm)和噴絲后(直徑0.20mm)柔性PLA材料的縱向形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 噴絲前后柔性PLA縱向形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.1 Longitudinal morphology and structure of flexible PLA before and after spinning. (a)Before spinning (diameters of 1.75mm, ×200); (b) After spinning (diameters of 0.20mm,×600)

由圖1可知,噴絲前(直徑1.75mm)的柔性PLA材料表面粗糙,有顆粒物,縱向紋路明顯。噴絲后(直徑0.20mm)的柔性PLA細(xì)絲順直,外表無(wú)雜質(zhì),沒(méi)有斷絲。這說(shuō)明柔性PLA材料的流動(dòng)性較好,經(jīng)過(guò)高溫熔融后材料可以從打印噴頭順利擠出,不會(huì)對(duì)打印面料的外觀產(chǎn)生影響,適合于緯編單面不均勻提花面料的打印[11]。

2.1.2 紅外光譜分析

圖2 直徑1.75和0.20mm柔性PLA的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectra of flexible PLA with diameters of 1.75 and 0.20mm

2.1.3 X射線(xiàn)衍射分析

噴絲前(直徑1.75mm)和噴絲后(直徑0.20mm)柔性PLA材料的X射線(xiàn)衍射圖如圖3所示。

圖3 直徑1.75和0.20mm柔性PLA的X射線(xiàn)衍射圖Fig.3 X-ray diffraction patterns of flexible PLA with diameters of 1.75 and 0.20mm

由圖3可知,噴絲后(直徑0.20mm)的柔性PLA細(xì)絲與噴絲前(直徑1.75mm)的柔性PLA材料相比,衍射峰的位置未發(fā)生明顯變化,在2θ為21.285°和41.745°處出現(xiàn)了強(qiáng)度不同的衍射峰,但峰的強(qiáng)度降低,峰型稍有尖銳。這表明高溫對(duì)柔性PLA材料處后,其內(nèi)部規(guī)整結(jié)構(gòu)改變,柔性PLA材料的結(jié)晶度有所降低,這會(huì)使噴絲后細(xì)絲的強(qiáng)力稍有降低,但是對(duì)于打印面料的強(qiáng)力影響較小,不會(huì)影響面料的耐用性[13]。

2.2 建模效果

緯編單面不均勻提花面料組織建模效果如圖4所示。緯編單面不均勻提花面料組織中,每個(gè)縱行的線(xiàn)圈數(shù)不一樣,線(xiàn)圈大小不均勻,面料為單色產(chǎn)品,花型部分由拉長(zhǎng)線(xiàn)圈組成。

圖4 緯編單面不均勻提花組織建模效果Fig.4 Modeling effects of weft knitted single sided uneven jacquard structure. (a) Path diagram of the loops; (b) Effect diagram of pattern simulation

2.3 打印效果

3D打印緯編單面不均勻提花面料的打印效果如圖5所示。

圖5 3D打印緯編單面不均勻提花面料Fig.5 3D printed weft knitted single sided uneven jacquard fabric

經(jīng)測(cè)量3D打印緯編單面不均勻提花面料的厚度為1.5mm,橫密40線(xiàn)圈/(10cm),縱密60線(xiàn)圈/(10cm)。從圖5可知,緯編單面不均勻提花面料的3D打印效果與模擬效果(圖4(b))一致,面料的圈柱明顯,提花部分由大小不同的拉長(zhǎng)線(xiàn)圈組成,提花效果明顯,花型規(guī)整且清晰可見(jiàn),有凹凸效應(yīng),可透過(guò)正面花型看到反面的拉長(zhǎng)線(xiàn)圈。打印面料線(xiàn)圈未脫散,表面無(wú)焦黃現(xiàn)象,面料沒(méi)有細(xì)絲勾起。3D打印緯編單面不均勻提花面料豐富了3D打印面料的結(jié)構(gòu),增加了3D打印面料的種類(lèi)。

2.4 打印面料性能測(cè)試

3D打印的緯編單面不均勻提花面料(1#)和腈綸紗在橫機(jī)編織的單面不均勻提花面料(2#)的拉伸性能、頂破性能、剛?cè)嵝阅?、透氣性能、透濕性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 單面不均勻提花面料性能測(cè)試結(jié)果Tab.1 Performance test results of single sided uneven jacquard fabrics

從表1可以看出,與腈綸紗在橫機(jī)編織的單面不均勻提花面料(2#)相比,3D打印緯編單面不均勻提花面料(1#)的橫向拉伸強(qiáng)力與其相當(dāng),縱向拉伸強(qiáng)力較大,橫向和縱向抗彎長(zhǎng)度大,頂破強(qiáng)力較小,透氣率高,透濕率高。這表明與腈綸紗在橫機(jī)編織的單面不均勻提花面料相比,3D打印緯編單面不均勻提花面料的拉伸性、透氣性、透濕性良好,剛?cè)嵝院晚斊菩暂^差。這是由于3D打印緯編單面不均勻提花面料使用的材料為柔性聚乳酸,該材料的拉伸性好,打印面料的拉伸性良好[14]。由于3D打印緯編單面不均勻提花面料是材料經(jīng)過(guò)高溫熔融后層層堆積而成,每層之間會(huì)存在縫隙,因此該面料的透氣性、透濕性較好。3D打印經(jīng)過(guò)高溫熔融,打印材料的結(jié)晶度降低,因此該面料的剛?cè)嵝院晚斊菩暂^差。

3 結(jié) 論

本文以柔性聚乳酸(PLA)為材料,通過(guò)熔融沉積成型技術(shù),在3D打印機(jī)中對(duì)模擬的緯編單面不均勻提花組織模型進(jìn)行打印,制備出3D打印緯編單面不均勻提花面料,并對(duì)熔融噴絲前后的柔性PLA材料以及緯編單面不均勻提花面料進(jìn)行測(cè)試和分析。柔性PLA材料的性能良好,適合于緯編單面不均勻提花面料的打印;打印出的緯編單面不均勻提花面料的厚度為1.5mm,打印效果和模擬效果一致,提花效果明顯,花型規(guī)整,有凹凸效應(yīng),打印面料線(xiàn)圈未脫散,表面無(wú)焦黃現(xiàn)象,面料沒(méi)有細(xì)絲勾起。與腈綸紗在橫機(jī)編織的單面不均勻提花面料相比,3D打印緯編單面不均勻提花面料的拉伸性、透氣性、透濕性良好,剛?cè)嵝院晚斊菩暂^差。