3D打印緯平針面料的制備

程燕婷， 孟家光， 薛 濤， 支 超

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)也被稱為快速成型技術(shù)或增材制造技術(shù)，是利用逐層堆積的原理制作任意復(fù)雜形狀的技術(shù)[1-3]。熔融層積成型(FDM)技術(shù)是目前最為普及的3D打印技術(shù)，其應(yīng)用范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計不受限，價格相對便宜，操作方便，生產(chǎn)成本低，設(shè)備不占空間，材料利用率高，對環(huán)境無污染[4-6]。聚乳酸(PLA)材料具有良好的彈性和延伸性，易熔融，屬于環(huán)境友好型材料[7-8]，常做為打印材料進(jìn)行應(yīng)用。

目前，服裝面料市場的需求正日益趨向個性化、多元化，而3D打印技術(shù)為服裝面料市場帶來了革新[8]。將3D打印技術(shù)和針織服裝面料結(jié)合起來，為服裝面料行業(yè)帶來了新技術(shù)和新機(jī)遇。目前，3D打印技術(shù)常被用來制作服裝零部件，如裙擺、門襟、袖口等部件，或者用于制作服裝輔料，如扣子、配飾等裝飾性配件[9]。

國內(nèi)外研究學(xué)者多集中于對3D打印服裝款式造型的研究，對于3D打印服裝面料的組織結(jié)構(gòu)研究甚少。國內(nèi)還未曾報道將3D打印技術(shù)應(yīng)用于打印緯平針組織面料上。為此，本文通過FDM技術(shù)制備出3D打印緯平針面料，省去了傳統(tǒng)針織服裝面料生產(chǎn)中不斷進(jìn)行小樣試織的麻煩，免去裁剪和試織時造成材料的大量浪費(fèi)，可實(shí)現(xiàn)服裝面料的批量生產(chǎn)或個性化定制。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

FDM技術(shù)是將工程塑料材料通過高溫形成熔融態(tài)，利用擠出機(jī)構(gòu)擠出，按指定的分層厚度以及規(guī)劃好的路徑，在立體空間上層層堆積形成三維實(shí)體，其基本原理如圖1所示。

圖1 FDM技術(shù)原理

3D打印機(jī)將丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、PLA、熱塑性聚氨酯(TPU)彈性體等絲狀打印材料加熱為熔融狀態(tài)，在一定溫度范圍內(nèi)，計算機(jī)控制噴嘴以一定壓力將熔融材料擠出為半流動狀態(tài)，噴嘴在工作臺X-Y平面內(nèi)以一定速度按照設(shè)計的模型切片信息進(jìn)行移動[10]。打印1層結(jié)束后，打印平臺沿著Z軸下降一個分層厚度，繼續(xù)進(jìn)行下一分層的打印，重復(fù)操作直至形成完整的3D打印模型，當(dāng)打印模型降至常溫后，去除支撐得到3D打印產(chǎn)品。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

材料：1.75 mm柔性PLA材料(珠海天威飛馬打印耗材有限公司)；74 tex×2腈綸紗(無錫裕盛紗線有限公司)。

儀器：“天威”Colido X3045準(zhǔn)工業(yè)級3D打印機(jī)(珠海天威泛凌貿(mào)易有限公司)；CMS530 HP斯托爾電腦橫機(jī)(機(jī)號為7針/25.4 mm，德國斯托爾有限公司)。

2 3D打印緯平針組織三維建模

緯平針組織是單面緯編針織物，由連續(xù)的同一種單元線圈沿一個方向依次串套而成。緯平針組織的兩面有不同的幾何形態(tài)，織物一面為正面線圈，另一面為反面線圈。緯平針組織單個線圈的軸線控制點(diǎn)如圖2所示。曲線由13個控制點(diǎn)控制：N1和N13為沉降弧最低點(diǎn)，N3和N11是圈柱和沉降弧的連接點(diǎn)，N5和N9是圈柱和針編弧的連接點(diǎn)，單個線圈關(guān)于針編弧頂點(diǎn)N7左右對稱。

圖2 緯平針組織單個線圈控制點(diǎn)

Peirce二維線圈模型如圖3所示。其中W表示線圈寬度，H為圈高，h為圈柱高。在Pierce模型中線圈截面為圓形，線圈中紗線粗細(xì)均勻一致、左右對稱，線圈由針編弧、沉降弧和圈柱構(gòu)成；投影到平面上時，針編弧和沉降弧假設(shè)為半圓弧，針編弧與沉降弧間連接線為直線，前一橫列的沉降弧與后一橫列的針編弧相切，左右相鄰的2個針編弧和相鄰的2個沉降弧也是相切的，針編弧與沉降弧半圓的外半徑是2d(d表示紗線直徑)，內(nèi)半徑是d[11]。則W=4d，h=3.464d，圈柱長l=3.606d，H=7.464d，整個線圈長度L=16.64d。

圖3 Peirce 線圈模型

實(shí)際上，由于紗線間相互擠壓導(dǎo)致其截面產(chǎn)生形變，需要結(jié)合實(shí)際測量來確定圈距、圈高及厚度。采用電腦橫機(jī)編織緯平針面料進(jìn)行實(shí)際測量，如圖4所示。

圖4 緯平針面料

根據(jù)Peirce線圈模型結(jié)合實(shí)物測量，確定出緯平針組織的圈距是3.2d,圈高是2.6d,厚度是1.2d。取紗線直徑d=1.2 mm，則圈高h(yuǎn)=2.4 mm，圈距W=3.84 mm。根據(jù)緯平針線圈的幾何特點(diǎn)，取線圈軸線型值點(diǎn)13個，由紗線直徑和線圈之間的幾何關(guān)系，得出各控制點(diǎn)的坐標(biāo)如表1所示。

表1 緯平針組織單個線圈控制點(diǎn)坐標(biāo)

在3ds Max軟件中，采用NURBS曲線建模方法，根據(jù)緯平針組織13個控制點(diǎn)坐標(biāo)畫出單個線圈軸線路徑如圖5所示。

圖5 緯平針組織單個線圈軸線路徑模擬

選擇紗線截面為圓形，根據(jù)曲線截面放樣方法對單個線圈軸線進(jìn)行放樣建模。對放樣后的單個線圈進(jìn)行“復(fù)制”“附加”操作，達(dá)到對緯平針組織的三維模擬效果圖,如圖6所示。

3 3D打印緯平針組織面料的制備

3.1 打印參數(shù)設(shè)置

打印參數(shù)會影響打印產(chǎn)品的表面粗糙度、精度及翹曲問題，合理的打印參數(shù)可使打印出的組織模型更加美觀，提高打印精度和打印效率。

將3D打印緯平針組織針織面料的打印參數(shù)設(shè)置為：分層厚度0.2 mm，打印溫度205 ℃，印床溫度60 ℃，打印速度80 mm/s，擠出速度130 mm/s，沉積方向45°，填充率90%。

3.2 模型切片

采用Repetier-Host軟件對在3ds Max軟件中設(shè)計的STL格式的緯平針組織模型進(jìn)行切片分層。切片軟件選擇slic3r，打印設(shè)定中選擇coliDo standard(標(biāo)準(zhǔn)模式)，該模式下層厚為0.2 mm。切片數(shù)據(jù)以gcode格式保存。

3D打印緯平針組織模型的切片信息為：尺寸132 mm×120 mm(長×寬)，預(yù)測打印消耗時間83.983 min，打印層數(shù)11，總行數(shù)471 621,所需耗材量4 694 mm。

3.3 緯平針組織模型打印

選擇PLA專用玻璃平臺安裝到打印機(jī)上，然后安裝打印耗材，最后對打印機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)及測試。將緯平針組織模型切片后的gcode指令通過SD卡或者數(shù)據(jù)線發(fā)送到準(zhǔn)工業(yè)級3D打印機(jī)中開始打印。打印完成后，待玻璃平臺冷卻至室溫23 ℃后取下打印模型，對模型進(jìn)行后處理，去除支撐材料及外邊沿輪廓，得到3D打印緯平針組織針織面料，將打印面料和電腦橫機(jī)編織的緯平針面料進(jìn)行對比分析，如圖7所示。

圖7 3D打印緯平針面料和橫機(jī)編織緯平針面料對比圖

3.4 打印效果分析

從圖7可以看出，3D打印緯平針面料的打印效果和建模效果相同，線圈縱行和橫列明顯，線圈相互嵌套。由于對打印材料熔融后進(jìn)行層層打印，導(dǎo)致線圈之間無法進(jìn)行轉(zhuǎn)移。線圈正面和線圈反面均未出現(xiàn)拉絲、焦黃、開裂及翹邊現(xiàn)象,3D打印緯平針面料的表面線圈均勻、平整光潔，表面無氣泡產(chǎn)生。與電腦橫機(jī)編織緯平針面料相比，3D打印緯平針面料沒有緯斜現(xiàn)象，該面料孔隙大、透氣性較好，可用于夏季針織服裝面料。柔性PLA具有高彈性和可降解性能，因此，其制備的3D打印緯平針面料彈性好，廢舊的面料和打印原材料可回收再利用，屬于環(huán)境友好型面料。

4 結(jié) 論

1)本文根據(jù)Peirce線圈模型結(jié)合實(shí)物測量，在3ds Max軟件中采用NURBS曲線建模的方法，對3D打印緯平針組織進(jìn)行三維模擬，實(shí)現(xiàn)了3D打印緯平針組織面料的可視化，可預(yù)測打印效果。

2)采用熔融層積成型(FDM)技術(shù)對模擬的3D打印緯平針組織進(jìn)行打印。通過對打印參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，采用Repetier-Host軟件對設(shè)計的緯平針組織模型進(jìn)行切片分層，利用切片數(shù)據(jù)進(jìn)行打印得到3D打印緯平針面料。該面料線圈縱行和線圈橫列清晰可見，線圈相互嵌套，面料表面光滑平整，打印精度高，面料未產(chǎn)生緯斜現(xiàn)象，線圈孔隙大，透氣性好，適用于夏季針織服裝面料，屬于環(huán)境友好型產(chǎn)品。