熔融沉积3D打印立体印花在服装中的应用_王琛.pdf

第 51 卷，第 6 期2023 年 6 月工程塑料应用Vol.51，No.6Jun.2023ENGINEERING PLASTICS APPLICATION熔融沉积3D打印立体印花在服装中的应用王琛，张晨赟，夏凌然，丁可青(南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037)摘要：为了在织物表面打印出具有三维装饰效果的立体印花模型，让服装更显个性、有趣和创新，首先对3D打印丝与织物界面的黏合过程、机理和条件进行分析。然后选用热塑性聚氨酯(TPU)为3D打印丝材、涤纶聚对苯二甲酸乙二酯(PET)为织物基材，制备B型剥离试样，通过万能力学试验机进行T型剥离试验，探究成型参数对TPU-PET织物界面黏合性能的影响。最后设计立体印花三维模型，结合剥离试验得到的优选成型参数，使用熔融沉积成型工艺完成了立体印花的3D打印制作实践。结果表明，0.050.15 mm范围内，初始高度越小，TPU-PET织物界面的平均剥离强度越大；1050 mm/s范围内，打印速度越小，TPU-PET织物界面的平均剥离强度越大；195235 范围内，挤出温度越大，TPU-PET织物界面的平均剥离强度越大；优选成型参数为初始高度0.05 mm、打印速度10 mm/s、首层挤出温度235、其余层挤出温度215；应用SolidWorks软件设计“鱼鳞印花”三维模型，其使用优选成型参数打印制作，此3D打印“鱼鳞印花”与织物表面黏合性能好、尺寸精度高、三维装饰效果好，为服装印花的多元化发展提供了参考。关键词：熔融沉积成型；3D打印；立体印花；服装定制中图分类号：TS941.15 文献标识码：A 文章编号：1001-3539（2023）06-0062-06Application of FDM 3D Printing Stereoscopic Stamp in ClothingWang Chen，Zhang Chenyun，Xia Lingran，Ding Keqing(College of Home and Industrial，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China)Abstract：In order to print a stereoscopic stamp with a three-dimensional decorative effect on the surface of the fabric for making the clothing more personalized，interesting and innovative，firstly，the bonding process，mechanism，and conditions between 3D printed silk and fabric interface were analyzed.Then，selecting thermoplastic polyurethane(TPU)as the 3D printing silk material and polyester(PET)as the fabric substrate，and B-type peel specimens was made.A T-shaped peel test using a universal mechanical testing machine was conducted to investigate the influence of molding parameters on the interfacial adhesion performance of TPU-PET fabric.Finally，the 3D model design of stereoscopic stamp was carried out，combined with the optimal forming parameters obtained from peeling experiments，and the 3D printing production practice of stereoscopic stamp was completed using fused deposition modeling(FDM)technology.The results show that within the range of 0.05-0.15 mm，the smaller the initial height is，the greater the average peel strength of the TPU-PET fabric interface is.Within the range of 10-50 mm/s，the smaller the printing speed is，the greater the average peel strength of the TPU-PET fabric interface is.Within the range of 195-235，the higher the extrusion temperature is，the greater the average peel strength of the TPU-PET fabric interface is.The optimal molding parameters are that initial height is 0.05 mm，printing speed is 10 mm/s，extrusion temperature of the first layer is 235，extrusion temperature of the remaining layers is 215.Using SolidWorks software to design a three-dimensional model of fish scale stamp，and using optimal molding parameters to print the actual stamp，this 3D printing fish scale stamp has good adhesion performance with the surface of the fabric，high dimensional accuracy，and good three-dimensional decoration effect，providing reference for the diversified development of clothing stamp.Keywords：fused deposition modeling；3D printing；stereoscopic stamp；clothing customizationdoi:10.3969/j.issn.1001-3539.2023.06.010基金项目：江苏省高校品牌专业建设工程项目(PPZY2015B150)通信作者：王琛，实验师，主要从事3D打印技术应用、家居产品设计等研究开发工作收稿日期：2023-03-24引用格式：王琛，张晨赟，夏凌然，等.熔融沉积3D打印立体印花在服装中的应用J.工程塑料应用，2023，51(6)：6267.Wang Chen，Zhang Chenyun，Xia Lingran，et al.Application of FDM 3D printing stereoscopic stamp in clothingJ.Engineering Plastics Application，2023，51(6)：6267.62网络首发时间：2023-06-21 14:23:25网络首发地址：https:/ Max软件和熔融沉积工艺开发出了性能良好的3D打印柔性服装面料。相关研究表明，3D打印技术在服装领域的应用，突破了传统服装生产过程中织物结构和工艺问题的限制，大多复杂的形状和结构都可以直接打印出来，使服装款式更加丰富、造型更加别致，特别适合于个性化、定制类服装的设计开发4。熔融沉积3D打印立体印花将平面印花在空间上进行拓展，创造出独特的三维装饰效果5。其在服装中的应用，是将个性化的设计理念辅以先进成型技术运用到服装领域，使得印花的设计和生产流程更加精简，让服装设计更具时尚性、艺术性和个性化的特点6。笔者对3D打印丝与织物界面的黏合过程、机理和条件进行了分析。选用热塑性聚氨酯(TPU)为3D打印丝材、涤纶聚对苯二甲酸乙二酯(PET)为织物基材，通过剥离试验探究了成型参数对TPU-PET织物界面黏合性能的影响。应用SolidWorks软件进行了立体印花的三维模型设计，结合剥离试验得到了优选成型参数组合，使用熔融沉积工艺完成了立体印花的3D打印制作实践。熔融沉积3D打印立体印花在服装中的应用，让服装更显个性、有趣和创新，为服装印花的多元化发展提供了参考。1 3D打印丝与织物界面黏合作用分析1.13D打印丝与织物界面黏合过程与机理熔融沉积3D打印立体印花制作的关键是3D打印丝与织物界面的黏合作用，3D打印丝与织物界面的黏合过程是复杂的物理、化学变化过程。主要分为3个阶段：(1)熔融阶段，3D打印丝受热熔融为具有流动性的黏流体，由挤出头挤出并附着于织物表面；(2)黏合阶段，在高温和竖向挤压力的作用下，织物表面附着的黏流态3D打印丝接触、浸润并扩散到织物内部与织物产生黏合；(3)固着阶段，随着材料的冷却和竖向挤压力的减小，3D打印丝逐渐凝结并固着于织物表面。3D打印丝与织物界面的黏合形式分为机械嵌入式和分子作用式，两者的黏合机理如下：前者由于织物中的纤维间存在孔隙，导致其表面粗糙不平，黏流态的3D打印丝在重力作用下逐步渗透到纤维间的孔隙中(如图1所示)，镶嵌并固着在织物表面，由此形成了机械嵌入式黏合；后者是在高温和竖向挤压力的作用下，黏合界面上的3D打印丝、织物纤维的分子链段间相互接触、浸润与交联(如图2所示)，产生了包括氢键、化学键和范德华力等分子间作用力，由此形成了分子作用式黏合。1.23D打印丝与织物界面黏合条件3D打印丝与织物界面产生黏合作用需要具备以下条件：(1)3D打印丝与织物的极性相似、溶解度参数接近，由于3D打印丝和织物纤维均属于聚合物，在高温和竖向挤压力的作用下，两种聚合物间的分子链段相互扩散，此过程可视为聚合物相溶的&#E34K334K100 m100 m图1机械嵌入式黏合334S*L?5&334图2分子作用式黏合63工程塑料应用2023 年，第 51 卷，第 6 期过程，根据相似相溶原理，聚合物间极性相似、溶解度参数越接近，相溶体系的热焓变化值越小，聚合物间的相互溶解性越好，界面黏合性能越好；(2)3D打印丝的表面张力与织物基材的表面张力接近，且具有较好的流动性。由于织物的表面属于低能表面，其张力较低。为了确保3D打印丝在织物表面形成有效的铺展，熔融丝材应具有较低的表面张力。此外，由于熔融丝材从黏流温度冷却至玻璃化转变温度的时间较短，为了加快聚合物间浸润和渗透的速度，3D打印丝应具有较好的流动性，流动性越好，界面黏合性能越好。1.3TPU-PET织物界面黏合性能TPU作为应用最多的熔融沉积3D打印柔性耗材之一，具有较好的弹性、韧性和易加工性7。涤纶(PET)织物多由超细纤维或改性涤纶(短纤或长丝)构成，不仅柔软，还具有凉爽舒适、抗折皱、易洗快干、价格便宜等特点8。根据上文对3D打印丝与织物界面黏合过程、机理和条件的分析，选用TPU丝材和涤纶(PET)织物进行黏合性能试验与立体印花的3D打印制作实践，基于以下原因：(1)TPU分子为强极性，溶解度参数为10.0(cal/cm3)1/2，PET分子为极性、溶解度参数为10.7(cal/cm3)1/2，两种聚合物极性相似、溶解度参数接近，聚合物间的相互溶解性较好，界面