蔡馮杰， 祝成炎, 田 偉， 呂智寧， 申 曉

(浙江理工大學 先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

3D打印成型的玻璃纖維增強聚乳酸基復合材料

蔡馮杰， 祝成炎, 田 偉， 呂智寧， 申 曉

(浙江理工大學 先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

為解決3D打印樹脂基材料強力低的問題,提出利用纖維增強樹脂基材料的方法，采用3D打印技術將玻璃纖維和聚乳酸復合并且快速成型，并研究了填充密度和切片層厚對于復合材料力學性能的影響。試驗結果表明，當試樣打印的填充密度達到90%時，試樣的彎曲強度和拉伸強度分別可達到49.26和21.28 MPa。試樣切片層厚為0.1 mm時，所得到的拉伸強度和彎曲強度分別為20.4和52.87 MPa。試樣的拉伸強度隨著切片層厚的增加而減少，隨著填充密度的增加而增加。試樣的彎曲強度與切片層厚是負相關，與填充密度是正相關。通過分析不同種類試樣截面的掃描電鏡圖發(fā)現，纖維束浸潤樹脂基體的程度與試樣的層厚和填充密度密切相關，填充密度的增加和層厚的減少有利于纖維束與樹脂基體的結合。

玻璃纖維； 3D打印； 彎曲性能； 拉伸性能； 聚乳酸

制備復合材料常用的方法是模壓成型，但是容易受到模具的限制，本文試驗采用3D打印技術能夠很好地改善這一問題。3D打印屬于快速原型制造技術，是一種以數字模型文件為基礎，運用工程塑料或金屬粉末等可黏合特性，通過逐層打印的方式來構造物體的快速成型技術[1-2]。3D打印技術采用層層疊加的原理，每層依照特定的打印路徑鋪放材料最終累加成型三維零件[3]。傳統的纖維增強樹脂基復合材料的成型工藝主要分為2個過程完成，首先要制備纖維預浸料，制備方法主要有沉積法、混編法、浸漬法等；然后將預浸料經過加工制成成型樣件，加工方法有模壓成型、拉擠成型、纏繞成型、鋪放成型等[4]。傳統的成型工藝過程較復雜，加工成本較高，同時無法實現復雜結構件的快速制造，從而限制了纖維增強樹脂基復合材料的應用范圍[5]。相比于傳統的成型工藝，3D打印工藝過程簡單，加工成本低，材料利用率高，降低了復合材料構件的制造成本。

KUMAR等[6]研究了將碳纖維作為增強纖維，采用3D打印技術制備復合材料。但是碳纖維成本比較高昂，生產成本不易降低。本文采用玻璃纖維作為增強纖維，通過對切片層厚和填充密度等工藝參數的研究，從而選擇一種最佳的工藝參數制備復合材料，既能保證試樣增強效果，又能降低制備的成本。

1 3D打印工藝

纖維增強樹脂基復合材料3D打印工藝，按照制造復合材料所采用基體材料的特征，可分為纖維增強熱固性樹脂復合材料3D打印、纖維增強熱塑性樹脂復合材料3D打印2類工藝[7-8]。纖維增強熱塑性樹脂復合材料3D打印工藝主要包括選區(qū)激光燒結(SLS)、熔融沉積成型(FDM)等工藝方法。FDM工藝采用打印頭加熱熔融樹脂線材，再按照一定的路徑擠出堆積成型單層輪廓，最終逐層疊加成三維實體模型[9]。

本文試驗采用一種連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂復合材料3D打印工藝(CFRTPCs)，其工作原理如圖1所示。以玻璃纖維和聚乳酸線材為原材料，線材通過導紗羅拉送入到3D打印頭中，在打印頭內部加熱熔融，熔融樹脂在線材推力作用下送入到噴嘴內部。同時，玻璃纖維通過纖維導管送入到同一個3D打印頭內部，玻璃纖維在噴嘴內部被熔融樹脂浸漬包覆形成復合線材，浸漬后的復合線材從噴嘴出口處擠出，之后樹脂基體迅速冷卻固化粘附在工作平臺上層，從而能夠使得纖維能夠不斷地從噴嘴中拉出[10-11]。與此同時，在計算機控制下，噴嘴和工作平臺分別依據截面輪廓和填充信息按照先前設定的路徑運動，逐層打印，最終形成所設計的試樣[12]。

圖1 連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂復合材料3D打印工藝原理圖Fig.1 Schematic representation of 3D printing process for CFRTPCs

2 試驗部分

2.1 材料與儀器

原材料：1.75 mm聚乳酸(3D打印線材)，廣州市陽銘新材料科技有限公司；300 tex的玻璃纖維，中國巨石集團有限公司。

儀器：熔融沉積型(FDM IS-1)3D打印機，鷹潭市升輝精密微型元件有限公司；萬能材料試驗機(WDW-300KN)，寧波德迅檢測設備有限公司；熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(S-5000)，濟南蘭卡儀器有限公司。

2.2 試驗方法

傳統的FDM打印機的噴頭難以滿足纖維和樹脂基材料熔融混合和擠出。為實現纖維和樹脂均勻的擠出，重新設計打印噴嘴(如圖1所示)，將玻璃纖維和聚乳酸分別通過不同的送絲機構喂入到噴嘴中，加熱熔融后的樹脂包覆在玻璃纖維表面，在擠出機的作用下，均勻擠出，最終逐層黏附在工作平臺，形成設計的試樣。

2.3 性能測試

2.3.1拉伸性能

按照GB/T 3354—2014《定向纖維增強聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法》標準，使用萬能材料試驗機進行測試。

根據公式計算出相應的拉伸強度：

式中：σt為拉伸強度，MPa；Pt為最大負荷，N；b為試樣寬度，mm；d為試樣厚度，mm。

2.3.2彎曲性能

為分析3D打印工藝參數對復合材料的影響，本實驗對試樣的層厚和填充密度分別設置為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mm和65%、70%、75%、80%、85%、90%。

參照GB/T 3356—2014《定向纖維增強聚合物基復合材料彎曲性能試驗方法》，采用三點彎曲法作為加載方法，以6 mm/min作為加載速度。

根據下式計算出相應的彎曲強度：

式中：σf為彎曲強度，MPa；Pmax為試樣承受的最大載荷，N；L為跨距，mm；h為試樣厚度，mm；ω為試樣寬度，mm。

2.3.3試樣截面形貌

為觀察復合材料中玻璃纖維與樹脂的熔融情況，參照JB/T 6842—1993《掃描電子顯微鏡試驗方法》，分析試驗中不同規(guī)格參數的試樣的截面情況。

3 結果與討論

3.1 玻璃纖維增強復合材料的截面

圖2示出玻璃纖維與聚乳酸樹脂基體的結合程度。圖2(a)示出80%填充密度的試樣，圖2(b)示出65%填充密度的試樣。從微觀結構圖中可分析出，較大的填充密度有利于玻璃纖維束和樹脂基體的融合，纖維束能夠較充分的浸潤到樹脂基體中。

圖2(c)示出層厚為0.1 mm的試樣，圖2(d)示出層厚為0.5 mm的試樣。從圖中可看出，層厚越薄，試樣切片層之間的間隙不斷縮小，玻璃纖維之間的距離較小且分散較均勻，纖維束浸潤樹脂基體的程度較好。

圖2 玻璃纖維增強復合材料截面的微觀結構Fig.2 Microstructures of cross section of glass fiber reinforced composites. (a) 80% filling density(×300); (b) 65% filling density(×300); (c) 0.1 mm layer thickness(×500); (d) 0.5 mm layer thickness(×500)

3.2 玻璃纖維增強復合材料的力學性能

3.2.1拉伸測試結果

不同層厚試樣的拉伸結果如圖3所示。由圖可知，試樣切片層的厚度對試樣的拉伸強度有較大的影響，兩者成負相關的關系。從圖中可分析出試樣的厚度越小，拉伸強度越大。當試樣厚度處于0.1～0.4 mm時，逐漸減小的變化規(guī)律特別明顯。

圖3 不同層厚玻璃纖維增強聚乳酸試樣的拉伸強度Fig.3 Tensile strength of specimens under different thickness

這是由于當試樣切片的厚度越薄時，試樣的層數越多，試樣中玻璃纖維的含量也越多。從試樣截面的掃描電鏡圖可分析出，纖維與樹脂的融合效果隨著切片層厚的減少而提升，試樣的斷裂強力逐漸提高。

試樣切片層的填充密度對試樣的拉伸強度同樣有較大的影響，試樣的拉伸強度隨著填充密度的增大而逐漸提升。當試樣的填充密度處于65%～80%時，試樣拉伸強度增強的趨勢尤為明顯，填充密度大于80%時，增強的趨勢逐漸降落如圖4所示。

圖4 不同填充密度玻璃纖維增強聚乳酸試樣的拉伸強度Fig.4 Tensile strength of specimens under different packing density

這是由于試樣每層中玻璃纖維之間的間距逐漸減少，玻璃纖維之間的分散比較均勻，每一層切片中纖維的含量逐漸增多，復合材料的整體斷裂強力不斷增強。

圖5示出玻璃纖維增強復合材料的拉伸應力應變曲線。含有玻璃纖維的試樣的曲線斜率較只含有聚乳酸的試樣斜率有了顯著的增加。由此可知，當試樣切片層的厚度和填充密度等工藝參數都相同時，含有玻璃纖維的試樣的拉伸斷裂強度相比于只含有聚乳酸的試樣有顯著的提高。充分表明了玻璃纖維對于聚乳酸樹脂基的增強效果。

圖5 玻璃纖維增強復合材料的拉伸應力與應變曲線Fig.5 Tensile stress-strain of glass fiber reinforced composites

3.2.2彎曲測試結果

不同層厚試樣的彎曲測試如圖6所示。由圖可知，試樣切片層的厚度對試樣的彎曲強度影響較大，兩者成負相關的關系。試樣的彎曲強度隨著切片層的厚度增加而逐漸減小，減小的趨勢較為明顯。

圖6 不同層厚玻璃纖維增強聚乳酸試樣的彎曲強度Fig.6 Flexural strength of specimens under different thickness

這是由于試樣每層的厚度越薄，復合材料中玻璃纖維的含量越多。玻璃纖維對于聚乳酸基復合材料有較好的增強，當試樣的層厚處于0.1～0.3 mm之間，彎曲強度的下降趨勢尤其明顯。當試樣的層厚處于0.3～0.5 mm之間，復合材料彎曲強度的下降程度有所減緩。

試樣切片層的填充密度對于復合材料的彎曲強度有較大的影響。復合材料的彎曲強度隨著切片層的填充密度增加而不斷提升，結果如圖7所示。這是由于當切片層厚相同時，填充密度的增加導致了試樣中玻璃纖維含量的增加。而玻璃纖維與聚乳酸樹脂基較好的結合，同樣使得復合材料的彎曲強度逐漸增強。

圖7 不同填充密度玻璃纖維增強聚乳酸試樣的彎曲強度Fig.7 Flexural strength of specimens under different packing density

含有玻璃纖維的試樣的曲線斜率明顯大于只含有聚乳酸的試樣，因而可得，當試樣的切片層厚和填充密度等工藝參數都相同時，玻璃纖維能夠有效的增強復合材料的彎曲強度。這是由于玻璃纖維具有較好的彎曲和拉伸強度，而玻璃纖維和聚乳酸樹脂較好的結合，使得復合材料的彎曲強度有了顯著的增強結果，如圖8所示。

圖8 玻璃纖維增強復合材料的彎曲應力-應變曲線Fig.8 Flexural stress-strain curve of glass fiber reinforced composites

綜上所述，切片層的厚度和填充密度對于復合材料中纖維的含量有較大的影響，試驗結果表明分層厚度與纖維含量成負相關的關系，而填充密度與纖維含量成正相關的關系。此外，分層厚度和填充密度對于纖維束浸潤樹脂基體的程度有一定的影響，從而影響了復合材料的力學性能。

4 結 論

1)利用3D打印技術制備復合材料，當試樣切片層厚和填充密度等工藝參數都相同時，通過添加玻璃纖維能夠增強聚乳酸樹脂基體的力學性能。

2)3D打印工藝參數的調整能夠有效地改善復合材料的力學性能，試樣切片層厚為0.1 mm，填充密度為90%時，所制備復合材料的彎曲強度和拉伸強度增強程度最為顯著。

3)復合材料切片層的厚度與拉伸強度和彎曲強度成反向關系，當切片層厚大于0.4 mm時，所制備復合材料的力學性能下降程度明顯。而切片層的填充密度與拉伸強度和彎曲強度成正向關系，當填充密度大于80%時，復合材料的力學性能提升效果顯著。

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Glassfiberreinforcedpolylacticacidcompositesbasedon3Dprintingtechnology

CAI Fengjie, ZHU Chengyan, TIAN Wei, Lü Zhining, SHEN Xiao

(KeyLaboratoryforAdvancedTextileMaterialsandManufacturingTechnology,MinistryofEducation,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

In order to solve the problem of low strength in 3-D printing resin-based materials, fibers were used to reinforce the resin-based materials. Glass fibers and polylactic acid were blended and rapidly formed by using 3D printing technology. The influences of filling density and slice thickness on the mechanical properties of the composites were studied. The results of the mechanical experiments show that the flexural strength and tensile strength of the samples can reach 49.26 and 21.28 MPa, respectively, when the filling density of the samples is 90%. When the slice thickness of the sample was 0.1 mm, the obtained tensile strength and flexural strength were 20.4 and 52.87 MPa, respectively. By the analysis of the results of mechanical experiments, the tensile strength of the samples decreases as the slice thickness increases, and increases as the filling density increases. The flexural strength of the samples is negatively correlated with the slice thickness, and is positively correlated with the filling density. By analyzing scanning electron microscopy images of cross sections of different kinds of samples, the degree of fiber bundle infiltration resin matrix is closely related to the slice thickness and filling density of the samples, and the increase in filling density and the reduction in slice thickness facilitate the bonding of the fiber bundles with the resin matrix.

glass fiber; 3D printing; flexural property; tensile property; polylactic acid

TS 131.9

A

10.13475/j.fzxb.20161205506

2016-12-29

2017-07-06

國家國際科技合作專項項目(2011DFB51570)

蔡馮杰(1992—)，男，碩士生。主要研究方向為3D打印復合材料。田偉，通信作者，E-mail: 47151938@qq.com。