3D打印成型的玻璃纤维增强聚乳酸基复合材料

蔡冯杰， 祝成炎, 田 伟， 吕智宁， 申 晓

(浙江理工大学 先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室， 浙江 杭州 310018)

3D打印成型的玻璃纤维增强聚乳酸基复合材料

蔡冯杰， 祝成炎, 田 伟， 吕智宁， 申 晓

(浙江理工大学 先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室， 浙江 杭州 310018)

为解决3D打印树脂基材料强力低的问题,提出利用纤维增强树脂基材料的方法，采用3D打印技术将玻璃纤维和聚乳酸复合并且快速成型，并研究了填充密度和切片层厚对于复合材料力学性能的影响。试验结果表明，当试样打印的填充密度达到90%时，试样的弯曲强度和拉伸强度分别可达到49.26和21.28 MPa。试样切片层厚为0.1 mm时，所得到的拉伸强度和弯曲强度分别为20.4和52.87 MPa。试样的拉伸强度随着切片层厚的增加而减少，随着填充密度的增加而增加。试样的弯曲强度与切片层厚是负相关，与填充密度是正相关。通过分析不同种类试样截面的扫描电镜图发现，纤维束浸润树脂基体的程度与试样的层厚和填充密度密切相关，填充密度的增加和层厚的减少有利于纤维束与树脂基体的结合。

玻璃纤维； 3D打印； 弯曲性能； 拉伸性能； 聚乳酸

制备复合材料常用的方法是模压成型，但是容易受到模具的限制，本文试验采用3D打印技术能够很好地改善这一问题。3D打印属于快速原型制造技术，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型技术[1-2]。3D打印技术采用层层叠加的原理，每层依照特定的打印路径铺放材料最终累加成型三维零件[3]。传统的纤维增强树脂基复合材料的成型工艺主要分为2个过程完成，首先要制备纤维预浸料，制备方法主要有沉积法、混编法、浸渍法等；然后将预浸料经过加工制成成型样件，加工方法有模压成型、拉挤成型、缠绕成型、铺放成型等[4]。传统的成型工艺过程较复杂，加工成本较高，同时无法实现复杂结构件的快速制造，从而限制了纤维增强树脂基复合材料的应用范围[5]。相比于传统的成型工艺，3D打印工艺过程简单，加工成本低，材料利用率高，降低了复合材料构件的制造成本。

KUMAR等[6]研究了将碳纤维作为增强纤维，采用3D打印技术制备复合材料。但是碳纤维成本比较高昂，生产成本不易降低。本文采用玻璃纤维作为增强纤维，通过对切片层厚和填充密度等工艺参数的研究，从而选择一种最佳的工艺参数制备复合材料，既能保证试样增强效果，又能降低制备的成本。

1 3D打印工艺

纤维增强树脂基复合材料3D打印工艺，按照制造复合材料所采用基体材料的特征，可分为纤维增强热固性树脂复合材料3D打印、纤维增强热塑性树脂复合材料3D打印2类工艺[7-8]。纤维增强热塑性树脂复合材料3D打印工艺主要包括选区激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)等工艺方法。FDM工艺采用打印头加热熔融树脂线材，再按照一定的路径挤出堆积成型单层轮廓，最终逐层叠加成三维实体模型[9]。

本文试验采用一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料3D打印工艺(CFRTPCs)，其工作原理如图1所示。以玻璃纤维和聚乳酸线材为原材料，线材通过导纱罗拉送入到3D打印头中，在打印头内部加热熔融，熔融树脂在线材推力作用下送入到喷嘴内部。同时，玻璃纤维通过纤维导管送入到同一个3D打印头内部，玻璃纤维在喷嘴内部被熔融树脂浸渍包覆形成复合线材，浸渍后的复合线材从喷嘴出口处挤出，之后树脂基体迅速冷却固化粘附在工作平台上层，从而能够使得纤维能够不断地从喷嘴中拉出[10-11]。与此同时，在计算机控制下，喷嘴和工作平台分别依据截面轮廓和填充信息按照先前设定的路径运动，逐层打印，最终形成所设计的试样[12]。

图1 连续纤维增强热塑性树脂复合材料3D打印工艺原理图Fig.1 Schematic representation of 3D printing process for CFRTPCs

2 试验部分

2.1 材料与仪器

原材料：1.75 mm聚乳酸(3D打印线材)，广州市阳铭新材料科技有限公司；300 tex的玻璃纤维，中国巨石集团有限公司。

仪器：熔融沉积型(FDM IS-1)3D打印机，鹰潭市升辉精密微型元件有限公司；万能材料试验机(WDW-300KN)，宁波德迅检测设备有限公司；热场发射扫描电子显微镜(S-5000)，济南兰卡仪器有限公司。

2.2 试验方法

传统的FDM打印机的喷头难以满足纤维和树脂基材料熔融混合和挤出。为实现纤维和树脂均匀的挤出，重新设计打印喷嘴(如图1所示)，将玻璃纤维和聚乳酸分别通过不同的送丝机构喂入到喷嘴中，加热熔融后的树脂包覆在玻璃纤维表面，在挤出机的作用下，均匀挤出，最终逐层黏附在工作平台，形成设计的试样。

2.3 性能测试

2.3.1拉伸性能

按照GB/T 3354—2014《定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》标准，使用万能材料试验机进行测试。

根据公式计算出相应的拉伸强度：

式中：σt为拉伸强度，MPa；Pt为最大负荷，N；b为试样宽度，mm；d为试样厚度，mm。

2.3.2弯曲性能

为分析3D打印工艺参数对复合材料的影响，本实验对试样的层厚和填充密度分别设置为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mm和65%、70%、75%、80%、85%、90%。

参照GB/T 3356—2014《定向纤维增强聚合物基复合材料弯曲性能试验方法》，采用三点弯曲法作为加载方法，以6 mm/min作为加载速度。

根据下式计算出相应的弯曲强度：

式中：σf为弯曲强度，MPa；Pmax为试样承受的最大载荷，N；L为跨距，mm；h为试样厚度，mm；ω为试样宽度，mm。

2.3.3试样截面形貌

为观察复合材料中玻璃纤维与树脂的熔融情况，参照JB/T 6842—1993《扫描电子显微镜试验方法》，分析试验中不同规格参数的试样的截面情况。

3 结果与讨论

3.1 玻璃纤维增强复合材料的截面

图2示出玻璃纤维与聚乳酸树脂基体的结合程度。图2(a)示出80%填充密度的试样，图2(b)示出65%填充密度的试样。从微观结构图中可分析出，较大的填充密度有利于玻璃纤维束和树脂基体的融合，纤维束能够较充分的浸润到树脂基体中。

图2(c)示出层厚为0.1 mm的试样，图2(d)示出层厚为0.5 mm的试样。从图中可看出，层厚越薄，试样切片层之间的间隙不断缩小，玻璃纤维之间的距离较小且分散较均匀，纤维束浸润树脂基体的程度较好。

图2 玻璃纤维增强复合材料截面的微观结构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 玻璃纤维增强复合材料的力学性能

3.2.1拉伸测试结果

不同层厚试样的拉伸结果如图3所示。由图可知，试样切片层的厚度对试样的拉伸强度有较大的影响，两者成负相关的关系。从图中可分析出试样的厚度越小，拉伸强度越大。当试样厚度处于0.1～0.4 mm时，逐渐减小的变化规律特别明显。

图3 不同层厚玻璃纤维增强聚乳酸试样的拉伸强度Fig.3 Tensile strength of specimens under different thickness

这是由于当试样切片的厚度越薄时，试样的层数越多，试样中玻璃纤维的含量也越多。从试样截面的扫描电镜图可分析出，纤维与树脂的融合效果随着切片层厚的减少而提升，试样的断裂强力逐渐提高。

试样切片层的填充密度对试样的拉伸强度同样有较大的影响，试样的拉伸强度随着填充密度的增大而逐渐提升。当试样的填充密度处于65%～80%时，试样拉伸强度增强的趋势尤为明显，填充密度大于80%时，增强的趋势逐渐降落如图4所示。

图4 不同填充密度玻璃纤维增强聚乳酸试样的拉伸强度Fig.4 Tensile strength of specimens under different packing density

这是由于试样每层中玻璃纤维之间的间距逐渐减少，玻璃纤维之间的分散比较均匀，每一层切片中纤维的含量逐渐增多，复合材料的整体断裂强力不断增强。

图5示出玻璃纤维增强复合材料的拉伸应力应变曲线。含有玻璃纤维的试样的曲线斜率较只含有聚乳酸的试样斜率有了显著的增加。由此可知，当试样切片层的厚度和填充密度等工艺参数都相同时，含有玻璃纤维的试样的拉伸断裂强度相比于只含有聚乳酸的试样有显著的提高。充分表明了玻璃纤维对于聚乳酸树脂基的增强效果。

图5 玻璃纤维增强复合材料的拉伸应力与应变曲线Fig.5 Tensile stress-strain of glass fiber reinforced composites

3.2.2弯曲测试结果

不同层厚试样的弯曲测试如图6所示。由图可知，试样切片层的厚度对试样的弯曲强度影响较大，两者成负相关的关系。试样的弯曲强度随着切片层的厚度增加而逐渐减小，减小的趋势较为明显。

图6 不同层厚玻璃纤维增强聚乳酸试样的弯曲强度Fig.6 Flexural strength of specimens under different thickness

这是由于试样每层的厚度越薄，复合材料中玻璃纤维的含量越多。玻璃纤维对于聚乳酸基复合材料有较好的增强，当试样的层厚处于0.1～0.3 mm之间，弯曲强度的下降趋势尤其明显。当试样的层厚处于0.3～0.5 mm之间，复合材料弯曲强度的下降程度有所减缓。

试样切片层的填充密度对于复合材料的弯曲强度有较大的影响。复合材料的弯曲强度随着切片层的填充密度增加而不断提升，结果如图7所示。这是由于当切片层厚相同时，填充密度的增加导致了试样中玻璃纤维含量的增加。而玻璃纤维与聚乳酸树脂基较好的结合，同样使得复合材料的弯曲强度逐渐增强。

图7 不同填充密度玻璃纤维增强聚乳酸试样的弯曲强度Fig.7 Flexural strength of specimens under different packing density

含有玻璃纤维的试样的曲线斜率明显大于只含有聚乳酸的试样，因而可得，当试样的切片层厚和填充密度等工艺参数都相同时，玻璃纤维能够有效的增强复合材料的弯曲强度。这是由于玻璃纤维具有较好的弯曲和拉伸强度，而玻璃纤维和聚乳酸树脂较好的结合，使得复合材料的弯曲强度有了显著的增强结果，如图8所示。

图8 玻璃纤维增强复合材料的弯曲应力-应变曲线Fig.8 Flexural stress-strain curve of glass fiber reinforced composites

综上所述，切片层的厚度和填充密度对于复合材料中纤维的含量有较大的影响，试验结果表明分层厚度与纤维含量成负相关的关系，而填充密度与纤维含量成正相关的关系。此外，分层厚度和填充密度对于纤维束浸润树脂基体的程度有一定的影响，从而影响了复合材料的力学性能。

4 结 论

1)利用3D打印技术制备复合材料，当试样切片层厚和填充密度等工艺参数都相同时，通过添加玻璃纤维能够增强聚乳酸树脂基体的力学性能。

2)3D打印工艺参数的调整能够有效地改善复合材料的力学性能，试样切片层厚为0.1 mm，填充密度为90%时，所制备复合材料的弯曲强度和拉伸强度增强程度最为显著。

3)复合材料切片层的厚度与拉伸强度和弯曲强度成反向关系，当切片层厚大于0.4 mm时，所制备复合材料的力学性能下降程度明显。而切片层的填充密度与拉伸强度和弯曲强度成正向关系，当填充密度大于80%时，复合材料的力学性能提升效果显著。

[1] 卢秉恒, 李涤尘, 增材制造(3D打印)技术发展[J].机械制造与自动化,2013,42(4):1-4.

LU Bingheng, LI Dichen. Technology development of increased material manufacturing(3D printing)[J].Mechanical Manufacturing & Automation,2013,42(4):1-4.

[2] 邱海飞，3D打印技术在织机打纬-开口机构中的应用[J].纺织学报,2017,38(1):140-145.

QIU Haifei, Application of 3D printing inbeating-up and shedding mechanism of loom[J].Journal of Textile Research,2017,38(1):140-145.

[3] TURNER B N, STRONG R, GOLD S A.A review of melt extrusion additive manufacturing processes: process design and modeling[J].Rapid Prototyping Journal,2014,20(3):192-204.

[4] 何亚飞，矫维成,杨帆, 等. 树脂基复合材料成型工艺的发展[J]. 纤维复合材料,2011(2):7-13.

HE Yafei, ZHI Weicheng, YANG Fan, et al. The development of resin matrix composites forming process[J].Fiber Composites,2011(2):7-13

[5] MAHIEUX C A. Cost effective manufacturing process of thermoplastic matrix composites for the traditional industry: the example of a carbon-fiber reinforced thermoplastic flywheel[J].Composite Structures,2001,52(3):517-521.

[6] KUMAR S, KRUTH J P. Composites by rapid prototyping technology[J].Materials & Design,2010,31(2):850-856.

[7] FUJIHARA K, HUANG Z M, RAMAKRISHNA S, et al. Influence of processing conditions on bending property of continuous carbon fiber reinforced PEEK composites[J]. Composites Science and Technology, 2004, 64(16):2525-2534.

[8] YANG C C, TIAN X Y, LIU T F, et al.3D printing for continuous fiber reinforced thermoplastic composites: mechanism and performance[J].Rapid Prototyping Journal, DOI:10.1108/RPJ-08-2015-0098.

[9] 王强华，孙阿良.3D打印技术在复合材料制造中的应用和发展[J].玻璃钢，2015(4): 9-14.

WANG Qianghua, SUN Aliang. Application and evolution of 3D printing technology in composites manufacturing[J].Fiber Reinforced Plastics, 2015(4):9-14.

[10] ZHONG W, LI F, ZHANG Z, et al. Short fiber reinforced composites for fused deposition modeling[J].Materials Science and Engineering: A, 2001, 301(2):125-130.

[11] NING F, CONG W,QIU J, et al. Additive manufacturing of carbon fiber reinforced thermoplastic composites using fused deposition modeling[J].Composites Part B:Engineering, 2015, 80: 369-378.

[12] TEKINALP H L, KUNC V, VELEZGARCIA G M, et al. Highly oriented carbon fiber-polymer composites via additive manufacturing[J].Composites Science and Technology, 2014, 105: 144-150.

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

国家国际科技合作专项项目(2011DFB51570)

蔡冯杰(1992—)，男，硕士生。主要研究方向为3D打印复合材料。田伟，通信作者，E-mail: 47151938@qq.com。