采用熔融沉积建模为基础的结构织物的三维印刷（FDM）具有不同的聚合物材料外文翻译资料

采用熔融沉积建模为基础的结构织物的三维印刷（FDM）具有不同的聚合物材料

摘要：3D打印是一种增材制造技术，即通过顺序分层创建对象，用于预生产或生产。后与CAD程序创建一个三维模型，在使用CAD程序创建3D模型后，可打印文件用于创建之后打印的图层设计。而往往比传统技术如注射成型更加昂贵，3D打印技术可以显著提高小零件的小批量生产的生产时间，同时灵活性比较大，并且可以生产常规技术无法生产出来的零部件。熔融沉积建模技术使用的塑料长丝，被推动着通过一种加热过的挤出喷嘴从而熔化材料。不同的材料，在生产过程中会呈现不同的变化，并且所生产的部件显示出不同的机械性能。 本文介绍了一些标准和新型材料及其对所得部件的影响。

1. 介绍

3Ｄ打印属于快速原型制造技术的一种，是一种以数字模型文件为基础，运用工程塑料或金属粉末等可黏合特性，通过逐层打印的方式来构造物体的快速成形技术[1]。该技术能够简化产品制造程序，缩短产品研制周期，提高效率并降低成本可广泛应用于医疗、文化、国防、航天、汽车及金属制造等产业，被认为是近20年来制造领域的一个重大技术成果。它是一种三维立体制造技术，是一种以数字模型为基础，采用模型切片、切片信息逐层加工方式将打印材料粘合到一起的技术。它集成了 CAD、数控技术、激光技术和材料技等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。可以准确、迅速地将设计者的思维转化成具有一定形状和功能的原型或产品零件根据打印技术原理以及所适用材料的不同，3Ｄ打印技术可分为激光熔覆成型技术（ＬＣＦ）、熔融沉积快速成型技术（ＦＤＭ）、选择性激光烧结技术（ＳＬＳ）、立体光固化技术（ＳＬＡ）、三维印刷成型（3ＤＰ）等。3Ｄ打印材料是3Ｄ打印的物质基础，也是限制3Ｄ打印进一步发展的技术瓶颈目前，美国、日本、欧洲等国家都站在21世纪制造业竞争的战略高度，对快速成型技术投人了大量的研究，尤其是在研究发展打印材料方面，使3Ｄ打印技术，得到了迅速发展[6,7]。常用的3Ｄ打印材料可分为金属材料、高分子材料和无机非金属材料三大类[8]。其中用量最大、应用范围最广、成型方式最多的材料为高分子材料，其主要包括高分子丝材、光敏树脂及高分子粉末3种形式。

与传统的材料加工技术相比，３Ｄ打印技术有许多突出的优势，具体表现在：（１）可以实现数字化制造，３Ｄ 打印借助建模软件将产品结构数字化，然后驱动机器设备加工制造成器件，由于数字化文件可借助网络进行传递，从而可以实现异地分散化制造的生产模式；（２）３Ｄ打印技术可以使三维结构的物体先分解成二维层状结构，逐层累加形成三维物品，因此，原理上３Ｄ打印技术可以制造出任何复杂的结构，从根本上解决了传统制造受制于模具的缺陷；（３）３Ｄ 打印可以利用“从下而上”的堆积方式，对于实现非匀致材料、功能梯度的器件更有优势；（４）３Ｄ打印技术有利于小规模生产和个性化订制，属于脑力密集型行业，对生产场地要求低，环保且低能耗；（５）３Ｄ打印能够实现“设计即生产”，可以更快捷回应市场需求。因此，近年来 ３Ｄ 打印技术获得了迅猛发展，已经在工业造型、机械制造、军事、建筑、影视、家电轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到广泛应用，同时吸引了国内外工业界、投 资 界、学 术 界、新 闻 媒 体 和 社 会 公 众 的 热 切 关注

快速成型和快速制造系统通常是基于固体，如薄激光切割层的形式依次互相粘合，喷墨像热塑性塑料3D打印技术、选择性激光烧结（SLS）从粉末或熔融沉积成型（FDM）由Stratasys公司提出^[1]。最便宜的3D打印机，为私人使用开发或小公司利用FDM技术，尝试他们在3D打印领域的第一步。作为3D打印的准备，由CAD软件创建的几何模型被导出为STL（表面镶嵌语言），OBJ（波前）或 - 根据CAD程序和打印机 - 其他交换格式，并且之后切片（即分成 层数）。在构造期间，必须注意3D模型是“水密”（即，不包含孔），歧管（即边缘不能在两个以上的面之间共享），并且表面法线向外指向[2]。 可以例如通过“netfabb”[3]来执行对相应错误的校正。

FDM（Fused Deposition Modeling）是快速成型工艺的一种。在成型过程中，与其它快速成型工艺的主要不同在于,其构成零件的每个层片是由材料丝熔融堆积而成的。熔融的丝受到打印喷头和下层已成型物体的挤压，由于自身应力会自动粘结在已成型物体上。经过层层累积，就形成了 CAD 模型的实物。与其它快速成型技术相比，FDM 具有很多的优点：（1）机械结构简单使用方便，各类人员都可在短时间内学会操作。（2）原材料在成型的过程中化学变化较小，制件的翘曲变形小。（3）材料多为有机塑料，可重复利用；且无毒，可用于家庭和办公环境。（4）去除支撑无需打磨抛光等过程。（5）可桌面化制造。

鉴于以上优点，FDM 技术已广泛地应用于生产制造和教学科研工作。传统产业的生产过程中，从开发到批量生产大约需要一两个月的时间，且如果改变生产样式，就必须重新制造模具。但是利用 FDM 工艺，可以实现分析，制造和批量生产一体化，能够在一两天之内完成设计工作，能够大大缩短开发时间和制造时间。

根据打印过程，如SLS或FDM，必须满足额外的要求。 对于FDM型号，重要的是考虑模型在打印机中的位置 - 具有最大且必须最精确的平面在底部 - 强烈倾斜的面（gt; 45°）的问题需要支撑材料，或者 填充模式在一个封闭的对象内。对于SLS印刷，大容量模型应该包含所谓的逃逸孔，通过该孔可以在印刷之后去除聚酰胺粉末。 另外，移动部件之间的空间必须足够大，以允许当从3D打印机中取出设计时粉末流走。在这两个过程中，必须注意，壁厚足够大，特别是如果该模型被计划后抛光。

1. 实验

虽然3D打印机已经被公司和个人用于多个领域，但纺织品图案的印刷仍然是罕见的。 在技术纺织品中，3D打印已经被用于创建诸如柔性加热系统或可穿戴技术的应用[4,5]。在设计中，诸如比基尼[6]，成衣[7]或鞋[8]的服装都是3D打印的。 这些服装，但是，显然是为了展示，而不是日常穿戴。 因此，这里描述的项目集中在更多的纺织品样式，可以结合传统纺织品甚至更换它们。

在免费的3D图形软件BlenderTM中设计了不同的纺织品或基于纺织品的结构之后，模型已经被检查，并且如果需要，使用netfabb修复。 之后，已修复的STL文件已在“重复主机”中导入，并在生成的文件发送到3D打印机之前切分为图层模型。

在本文中描述的大多数实验使用由PLA（聚乳酸，断裂伸长率〜4％，拉伸模量1968MPa [9,10]）或软质PLA（PLA 软化剂，伸长率）的由德国RepRap制造的FDM打印机X400 破碎至〜200％[9]），BendLay（丁二烯;比软PLA更硬，但不如ABS脆;冲击强度3kJ / m2，拉伸模量1550MPa [11]）等传统和实验材料。ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）在第一次测试之后被排除，所得到的基于织物的模型的机械性能不足[12]。

为了与FDM工艺进行比较，Shapeways [2]采用的SLS打印机已与材料“白色和柔性”（尼龙）一起使用。

1. 结果

第一个实验旨在再现纺织结构，特别是纬编针织单面结构，在实验集中在发展花边图案和最后的多材料模型。所有的结构进行印刷，而无需使用基板，虽然3D打印灵活的纺织材料主要是可能的，这取决于材料组合和打印机设置。

3.1纬编针织结构的3D打印

创建三维打印纬编针织结构的基础上发展的CAD模型（图1，左上面板）。为此，blendertm一直使用进口的针织绣在Adobe Illustrator中创建模型，重复缝和变形bezieacute;R曲线描绘绣添加3D形式。必须考虑到，材料厚度以及相邻针脚之间的距离分别对于SLS或FDM技术足够大。 使用程序“netfabb”，设计的可印性已经验证。开发的CAD模型已经用于通过SLS工艺（图1，右上图）的3D打印，其具有0.8mm的材料厚度和不同针迹之间的最小距离为0.4mm。 所得的模型原则上再现单面纬编织物的外观; 然而，应当提及的是，与由传统纺织纱线创建的针织结构相比，材料本身的柔性的缺乏导致模型的明显不同的机械性能。此外，SLS过程通常每个模型只能使用一种材料; 多材料模型必须单独打印，然后加入。

对于FDM工艺，主要需要使用来自与用于模型本身的材料不同或相同的材料的支撑结构，以实现如图1（左上图）所示的针脚之间的短距离。 然而，如图1（左下图）所示，来自相同材料的小支撑结构难以实现。 此外，设计必须放大以达到避免结构破裂所需的最小材料厚度（这里为1.88mm）。然而，支撑结构仍然太细，不能由打印机按照需要生产; 而是产生了不期望的凝块，其部分破坏了模型。 以这种方式，不可能通过FDM构建这种相对精细的模型。

使用没有支撑结构的软PLA已经实现相同的结构。 出乎意料地，该实验具有显着更好的结果（图1，右下图）。虽然还有精细的2014年全球聚合物和复合材料会议。在针迹之间的不期望的连接，在微量的打印喷嘴，有时挤压材料时，这个过程应该停止，基本结构清晰可见。缝线大部分分开，并且材料本身的柔性导致与纺织针织结构相比显着更多类似于由SLS生产的设计的性能。

图1.使用Blender TM（左上图），使用SLS（右上图），具有BendLay的FDM和支撑结构（左下图）的3D打印以及具有无支撑结构的软PLA的FDM的单面纬编织物的CAD模型 右下图）。 尺寸由标尺描绘。

然而，应该提及的是，软PLA模型的表面在宏观尺度上仍然表现出粗糙度，与人造或天然纺织纤维的微观粗糙度相反。

然而，这些实验已经表明，普通纺织品结构的简单复制可能不是生产3D打印纺织品材料的理想方式。 由于FDM技术的逐层构造，从层建立的模型可以被预期更成功地印刷并且具有较少的问题发生。 因此，下面的子章节涉及这种薄层状结构。

3.2层状结构的三维打印

通过FDM技术已经实现了若干分层结构。 图2示出了用于检查单个串是否可以沉积在没有任何支撑结构的相对开放的结构的顶部上的测试结构.

图2 分层结构的测试图案，由三个堆叠层组成

所得到的FDM印刷（图3）显示，虽然这种方法大多成功，但是即使保持0.4mm的最小直径，弦有时也可能断裂。 因此，作为产生基于纺织品的3D打印图案的下一种方法，已经创建了以部分开放的基层开始但不包括自由浮动区域的花边状结构。

图3得到的FDM印刷的3层结构（尺寸8cmtimes;8cm）

• 1. 3D打印花边图案

花边图案的创作灵感来自著名的普劳恩蕾丝，在连接这些部分的基层上大多包含花卉和圆形元素。 这种设计在图4（左图）中示出。 由于没有自由浮动区域，如果所有连接线具有足够大的直径，通过FDM工艺的印刷是没有问题的（图4，右图）。

图4 多层的花边图案，描绘“netfabb”（左图），以及由此产生的3D打印（右图）。详细尺寸4厘米x 7厘米

除了软PLA，其已经用于大多数鞋带图案以避免可能的机械问题，更硬的材料导致基部连接的断裂，已经使用实验聚合物：Lay Tekkks，四种不同类型的多孔长丝之一 PORO-Lay。 Lay Tekkks是由CC-Products（Cologne）的Kai Parthy生产的硬质丝，其被输送到喷嘴，而不存在太多的软丝可能在多个FDM打印机中产生的运输问题。 然而，在完成印刷过程之后，可以将其放入温水中数分钟至数小时的时间，导致材料的硬的部分被溶解，从而越来越软化所得样品，浸入水中的时间越长 （图5）。

图5在Lay Tekkks之前（左图）和在将硬材料部分在温水中溶解三小时（右图）之后产生的花边图案。 设计的尺寸为8厘米x 8厘米

3.4多材料模型的3D打印

具有两个或更多喷嘴的FDM打印机提供了在一个印刷部件中混合不同材料的可能性。 由于服装通常包含较硬的部件，例如孔眼，纽扣或其它增强件，所以这种材料混合物也已经被开发和印刷。

图6多层多材料结构，在Blender TM中描绘为三个独立的层，加上来自不同材料的单独环，标记为红色（左图），以及在软PLA层结构（右图）中得到的具有硬的BendLay环的双材料印刷。 设计的尺寸为8厘米x 8厘米

图6（左图）示例性地示出了计划用软PLA印刷的三层基底和装配在软中间层的间隙中的较硬环（描绘为红色）的结构，从而在完成设计之后由顶层和底层部分地固定。 以这种方式，确实可以创建这样的多材料模型（图6，右图）。 类似地，具有三层或更多层软PLA的鞋带模型可以包含由硬PLA或BendLay构造的加强部件。

1. 结论

在最近的一个项目中，基于纺织品的结构已经使用SLS和FDM技术进行3D打印。 虽然ABS已经证明对于所需的精细结构通常太脆，并且硬的PLA以及在SLS印刷中使用的尼龙可能太硬，不能用于典型的纺织品应用，例如服装，软PLA - 也在 与较不柔软的材料（例如BendLay）组合 - 已经证明能够再现一些基于纺织品的结构。

这些材料使得能够开发用于服装和相关领域的新型式和构造方法，允许新的设计以及传统纺织织物不能实现的新功能。

1. 参考文献

[1] Chua C K, Leong K F and Lim C S 2003 Rapid Prototyping: Principles and Applicat

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