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印刷层厚度对吸水率和机械力的影响3D印刷木材/聚乳酸复合材料的性能

摘要

本文研究了印刷层厚度对直径为1.75mm的木粉/聚乳酸纤维制成的3D打印样品工艺性能的影响。为此，有四个不同的打印层，用于制作3D打印样本，分别是0.05mm,0.1mm,0.2mm和0.3mm。试样的吸水率(在水中浸泡28天)随着印刷层厚度的增加而增加，而厚度溶胀减小。随着印刷层厚度的减小，试样的拉伸性能和弯曲性能明显提高。印刷层厚度的增加造成了较大的空隙，试样的横截面处孔隙增加，孔隙率越高，力学性能越低。

关键词：三维打印机 3D 木材 聚乳酸 技术属性 印刷层厚度

1、引言

3D打印是一种新技术，它为许多复杂形状产品的制造提供了许多新的可能性，可以让设计者基于虚拟计算机模型创建真实的对象。3D打印被归为一种附加的制造过程。在这种过程中，材料被层层添加，可以允许用户从3D计算机模型创建一个真实的产品。

木材是一种可生物降解的材料，以木屑的形式被广泛应用，小木块可以磨成更小的部分来提供优质的木粉，那么可以用传统的3D打印作为填充材料吗？木粉也可与多种商业和天然的印刷品结合使用，在3D打印产品中使用黏合剂对环境的影响可以大大减少。木材与热塑性塑料如聚丙烯、聚乙烯和聚乳酸（PLA）相比，有着显著的优势。它是世界上最丰富的木质纤维素生物量，木材具有高模量、低成本、低磨损、低磨耗、丰富可再生良好的力学性能和生态友好型处置等优点。特别是在热塑性塑料中加入木粉或纤维，以降低制造成本，提高复合材料的模量和耐热性能[1]。近年来，在3D打印机的热塑性长丝中使用木粉，充分发挥了木材的上述显著优势，消费者更喜欢环保的3D材料。

PLA是3D打印机中以玉米淀粉为原料生产的最常用的生物的降解聚合物之一，这是因为PLA是一种环保型聚合物。与石油塑料如聚丙烯、聚乙烯和丙烯腈丁二烯ABS相比,PLA对环境无害，PLA比ABS难溶,熔点180-220℃，低于ABS[2]。PLA的热膨胀系数较低，使其具有抗弯曲性能。PLA是一种对环境友好的聚合物，与ABS不适宜通风的空间相比，它对人体没有健康危害。已有研究报道[3][4]木质的PLA长丝具有良好的界面粘附性[5]，可有效地用于3D印刷制品的生产。

印刷层厚度是最重要的工艺参数之一。其中有零件的制造方向、气隙、光栅角度和宽度[6]，3D印刷产品的层厚可能会影响3D印刷产品的工艺性能、打印时间和制造成本,本文研究了印刷层厚度对3D印刷木材/聚乳酸材料吸水率和力学性能的影响。

2、实验设计

2.1制作3D印刷木材/聚乳酸标本

将直径为1.75mm的工业用木材/聚乳酸长丝(30%木材和70%巨乳酸)用于制作三维印刷试样，木材/聚乳酸长丝是从一家商用的3D长丝制造商购买的，根据制造工艺，在无载体的基础上，制作了三维打印式样。用土耳其伊斯坦布尔Zaxe3D打印机电脑公司生产的3D打印机，分别在0.05mm,0.1mm,0.2mm和0.3mm四层印刷层上制作标本（图1），3D打印机喷嘴直径0.4mm，标本经0度光栅定向制作。印刷温度和基材温度分别保持在200℃和80℃，图2展示了尺寸为100mm*15mm*4mm的三维打印样品的制作，在测试前根据ISO291[7]的标准，在20℃和50%相对湿度的气候室中对样品进行了测定。

2.2三维印刷试样吸水率的测定

根据ISO62[8]标准进行吸水率测定，对10个样品进行了吸水测试。吸收试验标本在20℃的水中浸泡28天。标本密度按IS01183-1[9]标准测定。
2.3试样力学性能的测定
试件的弯曲性能(平行于打印方向),弯曲强度和弯曲模量在通用的试验机(旁埃德)上进行了测试。其速度为1.3mm/min.符合1S01781[10]的要求。以符合要求 的ISO527[11]的5mm/min的十字头速度测试了(平行于打印方向)的试样的其拉伸性能。测试了5种试样的抗拉强度和抗弯强度。

图1 使用3DZaxe打印机制作3D印刷木材/PLA复合材料样品
2.4统计分析
统计分析(方差分析，plt;0.05)，评价印刷层厚度对试件吸水率和力学性能的影响。通过邓肯的多距离测试可以发现各组均数有显著性差异。

3、结果和讨论

3.1三维印刷木材/聚乳酸复合材料试样的耐水性

试样密度为0.97-1.00g/cm.作为印刷层厚度的规格。常温浸泡28天后，样品的吸水率明显增加(表2其吸水率从0.05mm增加到0.3mm(表l)）。这句话可以解释为，印刷层厚度越大，样品的压强越大从而导致了更多的吸水率。印刷层的薄膜间隙随着印刷层厚度的增加而增大(图2),这些间隙可以长期被水填满。将样品浸泡在水中，增加了水对试样的渗透。另一个原因是由于有更多木粉的比表面积随着印刷层厚度的增加而暴露在水中（图2）。众所周知，木材/聚乳酸长丝中是一种天然的亲水性聚合物，其分子链中含有大量的羟基。纤维素和半纤维素的自由羟基与主分子形成氢键，使样品具有更大的比表面积，从而产生更高的吸水率。线性回归分析的结果如图3所示，线性回归分析结果表明：3D打印样本的吸水率与印刷层厚度有较强的相关性（Rsup2;=0.91）。在线性回归的分析的基础上，当木材/聚乳酸试样处于水环境中，可以在3D打印机中调整最佳打印层厚度为0.05-0.3mm.

图2示意图 印刷样品几何学

3.2三维印刷木材/聚乳酸复合材料试样的力学性能

在表1中，印刷层厚度对三维印刷木材/聚乳酸复合材料的弯曲和拉伸性能有显著影响。印刷层厚度为0.05mm时试样力学性能最高，其次为0.1mm，0.2mm和0.3mm。例如，印刷层的厚度为0.5mm的试样其弯曲强度和弯曲模量分别为128.3MPa和4887MPa,而对于印刷层厚度为0.3mm的试样，其弯曲强度和弯曲模量分别为84.3MPa和3580MPa。拉伸性能方面也有类似的结果。结果良好，与以前的研究[12][13]一致,印刷层厚度对印刷层拉伸强度和拉伸模量有很大影响。

表1三维印刷木材聚乳酸复合材料的吸水率和力学性能

用同一字母在一栏中显示，根据Duncans多重检验，样本间没有统计学差异（plt;0.05），括号中的值是标准差

图3 回归分析

三维印刷木材/聚乳酸试样吸水率与印刷层厚度的关系

三维木材/聚乳酸复合材料试件(表1)。统计分析结果表明，不同印刷层数的样品之间存在显著差异。表1中在同一栏用不同的大写字母表示95%的可信度的统计差异水平，在图4中给出了线性回归分析的结果，确定了机械性能和印刷层厚度之间牢固的关系(Rsup2;），并对其性能和印刷层厚度进行了研究。Rsup2;弯曲强度和弯曲模量分别为0.92和0.94。拉伸强度(0.97)和拉伸强度之间也存在类似的相关性。

模量(0.98)计算如图4所示，关联关系的计算结果是一条理论直线，而相关系数（r）衡量的是所提供的数据写我们所计算的理论直线有多近。Rsup2;是一变量，即所占因变量中总变化的百分比的度量，它是一个独立的变量。Rsup2;的数据为1.0，完全符合线性模型[14]。

图4 3D印刷木材/PLA试样的力学性能与印刷层厚度的回归分析

印刷层厚度随着层数减少而减少，当所有样品的厚度保持不变时，印刷层厚度保持不变(4mm)。当层厚为0.3毫米时,是木材/聚乳酸复合试样数量最少的层数。然而，但随着层数厚度的减小至0.05mm时,试样层数增加，这可能导致更高的完整性。这反过来又会增加试件的强度[15]，层数厚度为0.05mm的试件强度较高，也可以解释为较小的孔隙与材料比，在较小的孔隙比下，在较高的载荷下达到断裂点。在以前的研究[16,17]中也发现了类似的结果。

图5三维印刷木材/聚乳酸标本的显微横截面印刷层厚度a.0.3mm b.0.2mm c 0.1mm

真正的三维印刷木材/聚乳酸的实际截面随打印层厚度的变化情况在图5表明，薄膜厚度的增加导致了更大的空隙，增加了试样横截面的粗糙度。孔隙率降低了材料的力学性能，增加了吸水率，层厚的增加改变了通过喷嘴挤压材料的相对量。如图5所示，在相同的试样厚度下，随着层厚的减小，挤压出了更多的材料，填充了空隙。弯曲强度的提高也可以用弯曲应力来解释，与厚层相同厚度的试样相比，薄层试样的拉伸和弯曲性能表现出更强的抗破坏能力。

4、结论

三维印刷样品的吸水率随印刷层厚度的增加而增大，从0.05mm增加0.03mm.这可以解释为三维印刷试样中的空隙随着厚度的增加而增加，从而吸收更多的水分。随着印刷层厚度的减小，3D印刷木材/聚乳酸复合材料的弯曲性能和拉伸性能明显提高。印刷层厚度的增加导致了更大的空隙，这增加了规范横截面的孔隙率。孔隙率越高，力学性能越差。由于相同体积材料的增加，印刷层厚度提高了试件的强度和模量。

资金信息：这项研究工作得到了基于美国的梅夫拉那交流计划的财政支持
2017年土耳其高等教育委员会支持的梅夫拉那交流计划，项目编号:78。
出版者附注：施普林格自然对已出版地图和机构附属机构的法理声明保持中立

参考文献

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2. Gokhare VG, Raut DN, Shinde DK (2017) A review paper on 3D-printing aspects and various processes used in the 3D-printing. Int JEng Res Technol 6:53–58
3. Wimmer R, Steyrer B, Woess J, Koddenberg T, Mundigler N (2015) 3D printing and wood. ProLigno 11:144–149
4. Tisserat B, Liu Z, Finkenstadt V, Lewandowski B, Ott S, Reifschneider L (2015) 3D printing biocomposites. Journal of Plastics Resarch Online, Society of Plastics Engineers, p:1–3. (SPE).
5. Faludi G, Dora G, Renner K, Moacute;czoacute; J, Pukaacute;nszky B (2013) Improving interfacial adhesion in PLA/wood biocomposites. Compos Sci Technol 89:77–82. compscitech.2013.09.009
6. Sood AK, Ohdar RK, Mahapatra SS (2012) Experimental investigation and empirical modelling of FDM process for compressive strength improvement. J Adv Res 3:81–90.j.jare.2011.05.001
7. ISO 291 (2008) Plastics–standard atmospheres for conditioning and testing. International Orga

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